【科普向】薛定谔的猫 (第2/2页)
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薛定谔猫态
薛定谔猫态
美国科学家宣布，他们成功让6个铍离子系统实现了自旋方向完全相反的宏观量子叠加态，也就是量子力学理论中的“薛定谔猫“态。
根据量子力学理论，物质在微观尺度上存在两种完全相反状态并存的奇特状况，这被称为有效的相干叠加态。由大量微观粒子组成的宏观世界是否也遵循量子叠加原理?奥地利物理学家薛定谔为此在1935年提出着名的“薛定谔猫“佯谬。
“薛定谔猫“佯谬假设了这样一种情况:将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭生衰变，会触机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死;如果镭不生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫“。
显然，既死又活的猫是荒谬的，可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理，客观规律不以人的意志为转移，猫既活又死违背了逻辑思维。薛定谔想要借此阐述的物理问题:宏观世界是否也遵从适用于微观尺度的量子叠加原理。“薛定谔猫“佯谬巧妙地把微观放射源和宏观的猫联系起来，旨在否定宏观世界存在量子叠加态。然而随着量子力学的展，科学家已先后通过各种方案获得了宏观量子叠加态。此前，科学家最多使4个离子或5个光子达到“薛定谔猫“态。如何使更多粒子构成的系统达到这种状态并保存更长时间，已成为实验物理学的一大挑战。
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实验
美国国家标准和技术研究所的莱布弗里特等人在最新一期《自然》杂志上称，他们已实现拥有粒子较多而且持续时间最长的“薛定谔猫“态。实验中，研究人员将铍离子每隔若干微米“固定“在电磁场阱中，然后用激光使铍离子冷却到接近绝对零度，并分三步操纵这些离子的运动。为了让尽可能多的粒子在尽可能长的时间里实现“薛定谔猫“态，研究人员一方面提高激光的冷却效率，另一方面使电磁场阱尽可能多地吸收离子振动出的热量。最终，他们使6个铍离子在5o微秒内同时顺时针自旋和逆时针自旋，实现了两种相反量子态的等量叠加纠缠，也就是“薛定谔猫“态。
奥地利因斯布鲁克大学的研究人员也在同期《自然》杂志上报告说，他们在8个离子的系统中实现了“薛定谔猫“态，维持时间稍短。
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研究意义
科学家称，“薛定谔猫“态不仅具有理论研究意义，也有实际应用的潜力。比如，多粒子的“薛定谔猫“态系统可以作为未来高容错量子计算机的核心部件，也可以用来制造极其灵敏的传感器以及原子钟、干涉仪等精密测量装备。
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科学议论
薛定谔的实验把量子效应放大到了我们的日常世界，现在量子的奇特性质牵涉到我们的日常生活了，牵涉到我们心爱的宠物猫究竟是死还是活的问题。然而对于宏观世界来说，薛定谔的实验理论是不存在的:半衰期是宏观上的概念，而具体到某一个原子，他的衰减期是固定的即使你无法测量。所以当这个被选出来的原子放进箱子里的时候，猫能活的时间就已经被确定了。所以说，你“不知道“，不代表它“没有生“。
所谓的量子理论其实也不一定是真理，微观世界与宏观世界的显着差异客观存在，而作为宏观生物我们难以精确的认识微观，量子理论很多是围绕现象提出假设，而不是数学上的严格证明。假设究竟是对是错没有经过证明我们不得而知，但是只要假设逻辑上自洽，并且能够解释的通一些现象，那就不妨它当作真的。量子物理在对与错中曲折前行，但是我们不能全面肯定也不能全面否定。也许就像相对论推翻了经典力学，量子力学也可能推翻相对论，未来究竟怎样，谁也不清楚。
量子派后来有一个被哄传得很广的论调说
“当我们不观察时，月亮是不存在的“，这稍稍偏离了本意，准确来说，因为月亮也是由不确定的粒子组成的，所以如果我们转过头不去看月亮，那一大堆粒子就开始按照波函数弥散开去。于是乎，月亮的边缘开始显得模糊而不确定，它逐渐“融化“，变成概率波扩散到周围的空间里去。当然这么大一个月亮完全融化成空间中的概率是需要很长很长时间的，不过问题的实质是:要是不观察月亮，它就从确定的状态变成无数不确定的叠加。不观察它时，一个确定的，客观的月亮是不存在的。但只要一回头，一轮明月便又高悬空中，似乎什么事也没生过一样。但其实，量子力学定律将月亮这种巨大质量的物体的波函数限制在很小的区域中，所以即使月亮弥散开去，弥散的程度也不是人眼能看出来的。
测不准原理解释:测量一个粒子的位置和度，其办法是将光照到这粒子上，一部分光波被此粒子散射开，由此指明它的位置。人们不可能将粒子的位置确定到到光的两个波峰之间距离更小的程度，故必须用短波长的光来测量，至少要用一个光量子。这量子会扰动这粒子，并改变粒子的度，而且位置测量得越准确所需的波长就越短，单独量子的能量就越大，粒子的度就被扰动得越厉害。你对粒子的位置测量得越准确，对度的测量就越不准确。月亮不观测时不是不存在，量子态在观测时由于观测力的相互作用而使波函数坍塌为确定值，微观粒子整体呈现规律性，宏观尺度下观测力几乎对其不影响。参考资料:史蒂芬.霍金所着《时间简史》
不能不承认，这听起来很有强烈的主观唯心论的味道，它其实和我们通常理解的那种哲学理论有一定区别，不过讲到这里，许多人大概都会自然而然地想起贝克莱george Berke1ey主教的那句名言:“存在就是被感知“拉丁文:esse est percipi。这句话要是稍微改一改讲成“存在就是被测量“，那就和哥本哈根派的意思差不离了。贝克莱在哲学史上的地位无疑是重要的，人们通常乐于批判他，我们的哥本哈根派是否比他走得更远呢?好歹贝克莱还认为事物是连续客观地存在的，因为总有“上帝“在不停地看着一切。而量子论?“陛下，我不需要上帝这个假设“。
与贝克莱互相辉映的东方代表大概要算王阳明。他在《传习录·下》中也说过一句有名的话:“你未看此花时，此花与汝同归于寂;你来看此花时，则此花颜色一时明白起来……“如果王阳明懂量子论，他多半会说:“你未观测此花时，此花并未实在地存在，按波函数而归于寂;你来观测此花时，则此花波函数生坍缩，它的颜色一时变成明白的实在……“测量即是理，测量外无理。
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薛定谔的猫和量子自杀
究竟是必然还是偶然决定了宇宙的命运?或者说:'上帝'玩骰子吗?这个是量子力学和相对论最大的争议。量子力学主张:世界是由不确定的、随机的事件决定，这个不确定后者叫波动其实就是辩证法主张的矛盾运作;而相对论则认为:世界应该是由固定的、机械的规律统治，任何看似偶然的事件背后，其实都有必然在支撑。
关于薛定谔的猫，包括爱因斯坦在内的许多非主流科学家是持怀疑态度的，他们认为:这个原因是由“平行宇宙“mI造成的，即:当我们向盒子里看时，整个世界分裂成它自己的两个版本。这两个版本在其余的各个方面都是全同的。区别只是在于其中一个版本中，原子衰变了，猫死了;而在另一个版本中，原子没有衰变，猫还活着。在量子的多世界中，我们通过参与而选择出自己的道路。在我们生活的这个世界上，没有隐变量，上帝不会掷骰子，一切都是真实的。这个观点还有更骇人听闻的假设:量子自杀。
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量子自杀的提出
在量子力学里，量子自杀是想法实验，这令人毛骨悚然和啼笑皆非的实验在8o年代末由hans moraveneto marcha1等人提出，而又在1998年为宇宙学家max Tegmark针对哥本哈根“波函数坍缩“中的“意识怪兽“，在那篇广为人知的宣传 mI 的论文中所展和重提。max Tegmark认为宇宙有多个，量子的不确定性被分配到各个宇宙去，只要从主观视角来看，不但一个人永远无法完成自杀，事实上他一旦开始存在，就永远不会消失!总存在着一些量子效应，使得一个人不会衰老，而按照mI，这些非常低的概率总是对应于某个实际的世界!
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量子自杀实验
在一套设备里，利用原子衰变来控制扣动一把枪的扳机，我们就可以观测当一个人被打死了如果衰变--amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;开枪或者没有没有衰变。他迟早被打死，因为随着原子衰变概率的增加，枪的扳机迟早会扣动。但对当事人本身的角度来说完全不是这样。因为对他唯一有意义的就是“那些他活着的世界“。永远都会有一个他活在某个世界!如果平行宇宙理论是正确的，那么对于某人来说，他无论如何试图去自杀都不会死!要是他拿刀抹脖子，那么因为组成刀的是一群符合波动方程的粒子，所以总有一个非常非常小的可能性，以某种方式丝毫无损地穿透了该人的脖子，从而保持该人不死!当然这个概率极小极小，但按照mI，一切可能生的都实际生了，所以这个现象总会生在某个宇宙!其实不管换什么方式自杀都一样，跳楼也好，卧轨也好，上吊也好，总存在那么一些宇宙，让他还活着。从该人自身的视角来看，他怎么死都死不掉!当然在其他无穷个宇宙里，他的亲朋好友却要为他哀悼了。这实际上也是薛定谔猫的一个真人版。大家知道在猫实验里，如果原子衰变，猫就被毒死，反之则存活。对此，哥本哈根派的解释:在我们没有观测它之前，猫是“又死又活“的，而观测后猫的波函数生坍缩，猫要么死要么活。mI则声称:每次实验必定同时产生一只活猫和一只死猫，只不过它们存在于两个平行的世界中。
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宇宙分裂
这样一来，薛定谔的猫也不必再为死活问题困扰。只不过是宇宙分裂成了两个，一个有活猫，一个有死猫罢了。对于那个活猫的宇宙，猫是一直活着的，不存在死活叠加的问题。对于死猫的宇宙，猫在分裂的那一刻就实实在在地死了，不要等人们打开箱子才“坍缩“，从而盖棺定论。
从宇宙诞生以来，已经进行过无数次这样的分裂，它的数量以几何级数增长，很快趋于无穷。我们现在处于的这个宇宙只不过是其中的一个，在它之外，还有非常多的其他的宇宙。有些和我们很接近，那是在家谱树上最近刚刚分离出来的，而那些从遥远的古代就同我们分道扬镳的宇宙则可能非常不同。也许在某个宇宙中，小行星并未撞击地球，恐龙仍是世界主宰。在某个宇宙中，埃及艳后克娄帕特拉的鼻子稍短了一点，没有叫凯撒和安东尼怦然心动。那些反对历史决定论的“鼻子派历史学家“一定会对后来的展大感兴趣，看看是不是真的存在历史蝴蝶效应。在某个宇宙中，格鲁希没有在滑铁卢迟到，而希特勒没有在敦刻尔克前下达停止进攻的命令。而在更多的宇宙里，因为物理常数的不适合，根本就没有生命和行星的存在。
似乎这个结论是可以将整个量子力学和相对论联系起来，或者说，是用相对论取代了量子力学。
且慢!仔细考虑一下:每一个电子的跳跃，每一个光子的衍射，我在键盘上敲打的每一个字符，都可以创造一个宇宙?那么，自大爆炸以来，究竟有多少个宇宙被创造出来了?宇宙的数量每秒钟都在以骇人听闻的度增长?这个理论似乎是要为了解释一个小小的电子的衍射而兴师动众的创造一个庞大的宇宙呀!也没有任何证据能够证明这个理论，这个理论的成本太高了。
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影响及意义
量子力学作为2o世纪最有突破的科学成就之一，也是最具争议的科学之一。“薛定谔的猫“很好的阐述了这一现状。人们不能接受量子力学是因为它的不确定性。对于传统的物理学来说，只要找到了事物之间相关的联系，就能在每时每刻确定，事物之间相关的物理数据，比如说，物体运行距离等于物体的度乘以物体运行的时间，只要知道物体的度，你每时每刻都能计算出物体运行了多远，然而海森堡提出的量子不确定性原理使得你无法预知一个微观粒子未来的状态。正如爱因斯坦所说的:上帝不玩骰子，但是量子力学让我们不得不相信，上帝似乎是玩骰子的。
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