再谈可怜的猫

行者之心

2020-09-10

相对于我们经验的物质世界，量子物理为我们展现出一个完全超越直觉甚至诡异的微观世界。其中最有意思的一点就是当物质小到一定程度时，它会由一个实体物质变成一个弥漫空间的波。这就是著名的波粒二象性，也就是一个微观粒子会表现出波的特性，同时又表现出粒子的特性。

那么波的特性和粒子的特性又有什么本质区别呢？粒子的特性表明该物质在一特定时刻处于空间一个确定的位置，而波特性则可以让该物质（比如说一个电子）在某一时刻处于一个区域，而具体存在的位置则只能由概率表示，形象说就是从一个确定的点变成迷迷糊糊的一团雾。

但这种雾蒙蒙不确定的状态一但被观察，则就消失而变成一种却定的状态。

要真正理解这个波是非常困难的。物理学家用一种数学函数来表示，但他们之间的解释也经常是相互矛盾。问题的原因是里面出现的现象特别诡异。

要理解这种诡异，我们先想想电影《玩具总动员》(Toy story)。这部电影里有许多玩具，那些玩具，当小孩子在看它们的时候，就是我们熟悉的玩具，任小孩子拿在手里玩耍，没有真正的生命力。可一但没有任何一个人（包括大人小孩）在看着这些玩具时，它们每一个都马上有了生命，可以互相说话，到处跑动。只是一但人一看它们，它们立刻又一动不动变成了死玩具。

微观世界的粒子也是这样，当没有任何东西观察它们时，它们到处乱跑，可以同时呈现出不同的状态，处于不同的位置。可一但观察它们时，它们就老老实实呆在一个固定的地方。也就是说观察本身不仅确定它们的状态，也剥夺了它们可以同时处于多种状态的这种奇妙特性。为了让它们处于这种奇妙的多状态形式，唯一的办法就是放弃观察。量子计算机就是基于这样一个机制设计的。量子计算机超强的计算能力来自于一个粒子可以同时处于多种不同状态，而这种状态一但被观察就被破坏。所以科学家们不能观察量子计算的计算过程，一定要等它计算完毕才可以观察这个结果。

这一点和我的一个个人经验有相通之处。我喜欢围棋，我经常在网上看围棋大赛现场直播。然而我发现重要比赛一但看现场直播，我所支持的中国选手往往就输掉比赛。而如果不看比赛直播，只等到比赛结束时去看结果，往往中国选手可以赢。难道是我的线上观战影响比赛结果吗？理性分析这是不可能的，以往的经验不过是一种巧合罢了。然而量子世界中观察对事件的结局却起着真实的作用。

因为这些量子世界的诡异现象只在微观世界中才出现，人们无法在宏观世界来经验这些现象。而一位著名物理学家薛定谔则设计了一个思想实验（就是只能在脑子里想，现实做不出来的实验）说明量子世界的神奇特性可以影响宏观世界。

他的实验涉及了一只可怜的猫。这只猫被关在一个密闭金属盒子里。这个盒子里还有一只装有剧毒氰化物的瓶子和一个铁锤。这只阴森森的铁锤悬在瓶子上空随时可以掉下来砸碎瓶子把猫毒死（如此残忍的实验居然没有遭受动物保护组织和爱猫者协会的投诉真是令人感觉诧异）。这只铁锤由一种元素衰变时射出的粒子所控制。在量子状态下，这个粒子可以同时处于触发和不触发铁锤的状态。这也就意味着这只猫会同时处于死了还是没死这两种状态。

当然，一但科学家打开容器进行观察，这种玄而又玄的量子状态将会瞬间崩溃，于是科学家只可能看到一只毒死的猫或者是一只没有毒死的猫。他们无法看到一只同时被毒死又同时还活着的猫。正如《玩具总动员》中的孩子无法看到活蹦乱跳到处跑的玩具一样。因为无论孩子们以多么快的速度突然把视线转向玩具，那些玩具都能以更快的速度瞬间凝固成没有生命力的死玩具。

《玩具总动员》中的情节不过是幻想，但如何解释这只猫。它是如何从一只又死又活的猫瞬间变成一只百分之百的活猫或死透了的猫尸体让人百思不得其解。当然我们不必为自己想不清楚这个问题而感觉羞愧，因为爱因斯坦也搞不清楚。他老人家不能承认一只猫可以处于同时又死又活的状态，所以提出“上帝不会掷骰子”这个有趣的说法，不过遗憾的是他也没有办法找出一个另人信服的解释，他企图设计一个更巧妙的实验来论证他的想法，不过没有成功。

对于薛定谔的猫这个难题有两种比较有影响力的解释，一种是比较主流的哥本哈根诠释。取这个名字的原因是因为两位大名鼎鼎的物理学家海森堡和波尔在哥本哈根的研究提出这个解释。他们认为观察造成了所谓的波函数坍塌。形象说就是量子状态如同一个充气的气球，观察相当于给气球戳了个洞，所以瞬间缩成一小块橡胶片。这个解释的难点在于宏观世界中，物质运动速度受上限光速的影响。这个瞬间坍塌突破了光速极限，也正是这个原因让大佬爱因斯坦（正是他的狭义相对论提出光速是物质运动上限这个命题）对这个解释很不满意。

另一个解释则是更富浪漫色彩的多宇宙解释。这个解释认为一但出现观察，这个宇宙就会同时分成好几个平行宇宙，每一个平行宇宙会呈现一种观察状态，比如一个发现死猫，一个发现活猫。但分开的平行宇宙之间将无法再有任何信息交流。这个解释是不是很玄幻。

总之薛定谔的猫为人们开启了一个丰富的想象空间。什么叫做被观察？这个猫本身难道不会观察自己吗，而非要等到科学家来打开盒子？另外为什么要把可怜无辜的猫放到盒子里，而不把薛定谔本人放到盒子里？这样他会不会发现自己同时处于死亡和还活着两种状态呢？

总之，当人们认为科学的发展已经帮助人类更多地认识这个世界时，殊不知只是让人们发现自己更加无知。现代物理学和天文学已经发展到这样一个地步，似乎不引入玄学和东方神秘主义就再难前进一步。

snapdragon

楼主简直了，搞得我去您空间里找之前有写过“倒霉的猫”，也没有找到。没有找到的那一刻，才知道是真没有哎。真是薛定谔的再谈啊。:y

欧阳京

玩具总动员这个比喻很有意思。但是我不知道贴切不贴切。大学里我的量子力学虽然过了，但是分数不是很高。当时对纯数学一样的物理有点不感兴趣。

平行宇宙是一种假设，但是平行宇宙也好，多重宇宙也好，都是非常难以想象和理解的东西。因为既然是平行、多重那么就presuppose一种概念：无法观察。

但是关于波粒二象性，“其中最有意思的一点就是当物质小到一定程度时，它会由一个实体物质变成一个弥漫空间的波。”这种说法不准确。

应该是说物质都具有波粒二象性，质量越小，粒子性越轻，波性越重，反之亦然。

但是什么是小？什么是大？相当于人而言，质子电子是小，但是相对宇宙而言，地球也是小。

如果有一个巨大的存在，例如说神，相对而言，地球不过是一个电子，那么地球存在的地点和其运动速度，也无法测量。那么人的存在也就是和这个薛定谔猫一样的可悲了。

catfelix

都讨论上量子力学了，想起撒贝宁说的快递小哥对薛定谔猫理论的阐释，大中华真是人才济济

话说楼上说的大小论，好像在漫威的《蚁人》得到充分运用了

行者之心

欧阳京 发表于 11-9-2020 09:31
玩具总动员这个比喻很有意思。但是我不知道贴切不贴切。大学里我的量子力学虽然过了，但是分数不是很高。当 ...

欧阳兄说得对。首先我对量子力学也是似懂非懂，看过一些科普书而已，所以描述得一定有不恰当的地方。关于大小的关系，主要由一个量子力学的参数叫普朗克常数h决定。h 是一个非常小的量，所以决定许多量子现象只有在非常小的尺度才能观察到。这和相对论中的光速一样。相对论的时间变慢距离变短等现象只有在高速运动的物体才表现的比较清楚。所以在宏观（相对于h）低速(相对于光速)环境中，牛顿力学是很好的近似。

行者之心

catfelix 发表于 11-9-2020 10:08
都讨论上量子力学了，想起撒贝宁说的快递小哥对薛定谔猫理论的阐释，大中华真是人才济济

话说楼上说的大 ...

快递小哥是怎么解释薛定谔的猫啊，欢迎catfelix多贴一些啊

行者之心

annahw 发表于 10-9-2020 22:38
楼主简直了，搞得我去您空间里找之前有写过“倒霉的猫”也没有找到。真是薛定谔的再谈啊。

我记错了，你的文章名字是可怜的猫，我记成倒霉的猫了

snapdragon

行者之心 发表于 11-9-2020 11:15
我记错了，你的文章名字是可怜的猫，我记成倒霉的猫了

记错了就把标题改一改可好？

不过，您这种类比真的很新颖，第一次听说。所谓的不怎么懂居然也能阐述得这么清楚。好佩服。

仙人掌1975

薛定谔的猫不是这么解释的，网上多的是。

观察，不是指人去观察，其实是外界与量子发生了相互作用。才能把信息带出来。

所谓观察，是要有光子打到物体上再反弹回来，进到人眼。可是在光子反弹回来的时候，量子态就已经塌缩了，有没有人看都不影响结果。

实验本身的设计就是错的。

行者之心

仙人掌1975 发表于 11-9-2020 22:01
薛定谔的猫不是这么解释的，网上多的是。

观察，不是指人去观察，其实是外界与量子发生了相互作用。才能 ...

这一点我还不十分确定，光子的能量对微观粒子的作用可以理解，可是对于猫这个宏观物体，光子的能量照射在猫身上已经不会有那么大的作用了啊😯

仙人掌1975

行者之心 发表于 11-9-2020 23:00
这一点我还不十分确定，光子的能量对微观粒子的作用可以理解，可是对于猫这个宏观物体，光子的能量照射在 ...

如果我没记错的话，这个思想实验的前面一段是有个放射性子，然后外面有一个盖格计数器。如果这个放射性原子发生了衰变，它就会放出一个质子。盖个计数器就会检测到，然后给出一个信号，打碎玻璃瓶放出毒气。

薛定谔的本意是，如果你不去观察，那么这个原子就处于衰变和没有衰变的叠加态。

他的错误在于，这个观察不须要是人去观察，计数器本身就是观察。只要信息被带出来了，叠加态就塌缩了。

这是我个人肤浅的理解，欢迎指正。

行者之心

仙人掌1975 发表于 12-9-2020 07:46
如果我没记错的话，这个思想实验的前面一段是有个放射性子，然后外面有一个盖格计数器。如果这个放射性原 ...

是的，这是这个实验一个明显的漏洞。如果用量子状态触发任何装置，这个触发过程就相当于观察。只是不知道这么一个明显的漏洞他们都不想办法堵住。也许我们真得没有正确理解量子的概念。

仙人掌1975

行者之心 发表于 12-9-2020 08:18
是的，这是这个实验一个明显的漏洞。如果用量子状态触发任何装置，这个触发过程就相当于观察。只是不知道 ...

我不是物理专业的。对于量子力学，我们都是门外汉，方程啥样都没看过，因为我知道自己看了也看不懂。了解都算不上，更别说理解了。

薛定谔提出这个思想实验的时期也很早，量子力学自身也不成熟，有漏洞很正常。

相比于薛定谔的猫，最让我困扰的是单光子延迟选择实验。百思不得姐。