薛定谔的猫的悖论

对量子力学假设完备性科学界的争论•薛定谔的猫的悖论•波函数的具体物理意义•电子自旋•相对论效应薛定谔的猫的悖论薛定谔猫是关于量子力学的一个理想实验。实验内容：这个猫十分可怜，该猫被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出α粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的物氰化物气体，雌猫必死无疑。这个残忍的装置由薛定谔所设计，所以此猫便叫做薛定谔猫。薛定谔的猫的悖论•自然的推论：当它们都被锁在箱子里时，因为我们没有观察，所以那个原子处在衰变／不衰变的叠加状态。因为原子的状态不确定，所以猫的状态也不确定，只有当我们打开箱子察看，事情才最终定论：要么猫四脚朝天躺在箱子里死掉了，要么它活蹦乱跳地“喵呜”直叫。问题是，当我们没有打开箱子之前，这只猫处在什么状态？似乎唯一的可能就是，它和我们的原子一样处在叠加态，这只猫当时陷于一种死／活的混合。薛定谔的猫的悖论•一只猫同时又是死的又是活的？它处在不死不活的叠加态？这未免和常识太过冲突，同时在生物学角度来讲也是奇谈怪论。如果打开箱子出来一只活猫，那么要是它能说话，它会不会描述那种死／活叠加的奇异感受？恐怕不太可能。薛定谔的猫的悖论1９５７年，埃弗雷特提出的“多世界诠释”格利宾在书中写道：“埃弗雷特……指出两只猫都是真实的。有一只活猫，有一只死猫，但它们位于不同的世界中。问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变，而在于它既衰变又不衰变。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。唯一的区别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。薛定谔的猫的悖论也就是说，上面说的“原子衰变了，猫死了；原子没有衰变，猫还活着”这两个世界将完全相互独立地演变下去，就像两个平行的世界一样。格利宾显然十分赞赏这一诠释，所以他接着说：“这听起来就像科幻小说，然而……它是基于无懈可击的数学方程，基于量子力学朴实的、自洽的、符合逻辑的结果。”“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。”按格利宾所说，爱因斯坦如果还活着，他也许会同意并大大地赞扬这一个“没有隐变量，上帝不会掷骰子”的理论波函数的具体物理意义玻恩认为，量子力学中的波实际上是一种几率，波函数表示的是电子在某时某地出现的几率。1927年，海森伯提出了微观领域里的不确定关系，他认为任何一个粒子的位置和动量不可能同时准确测量，要准确测量其中的一个，另一个就将是不确定的。这就是所谓的“不确定原理”。它和玻恩的波函数几率解释一起，奠定了量子力学诠释的物理基础。玻尔敏锐地意识到不确定原理正表征了经典概念的局限性，因此在此基础上提出了“互补原理”。波动方程中的所谓波究竟是什么？波函数的具体物理意义波动方程中的所谓波究竟是什么？以爱因斯坦为首的另一部分物理学家，如薛定谔、德布罗意等对哥本哈根学派的观点提出了质疑。主要表现在两方面：①量子力学仅可建立在可观察量的基础上？爱因斯坦对这一观点也提出异议。1926年春天，他在海森堡的一次谈话中，提出了“是理论决定我们能够观察到的东西”的观点。波函数的具体物理意义②因果性还是几率波？早在1920年1月27日，爱因斯坦针对泡利反对连续区理论的观点表示了他自己对“完全的因果性”的信念。1924年4月爱因斯坦给玻恩夫妇的信中，他针对玻尔关于辐射的波动在本质上是几率波的假设而评论说：“玻尔关于辐射的意见是很有趣的。但是，我决不愿意被迫放弃严格的因果性，将对它进行更强有力的保卫。我觉得完全不能容忍这样的想法，即认为电子受到辐射的照射，不仅它的跳跃时刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去选择。”电子自旋钠在燃烧时会发出美丽地黄光，早年该黄光一直被认为是单一频率的。但是后来人们用更高分辨率的摄谱仪仔细研究发现，钠D线有两条及其靠近的谱线组成，波长分别为589.6nm和589.0nm，这说明3s和3p两个能级至少一个发生了分裂。同样的情况在氢光谱中也发现了电子自旋为了处理这个问题，科学家们曾经考虑过一些相当新颖的想法。他们的第一个新步骤就是不再把与电子相联系的物体近似地视为一个数学点。一个大小不为零的物体所能够具有的最基本的运动新样式（相对于一个点所具有的运动方式而言）是绕其质心的旋转。任何一本初等力学教程都讲过，如果认为这一物体是绝对刚性的，那么它的内部运动可以由三个角（欧拉角）完全描述，这三个欧拉角决定了物体的空间取向。电子自旋当然，真实物体不可能是理想刚体，但可以假设我们所要研究的物体有足够的刚性，因此我们可以（至少就涉及的这一级而言）忽略其刚性不足所引起的效应。于是电子的自旋就由这个物体的旋转来解释，它在由轨道运动所产生的角动量之外，再引起一个“内禀”角动量。相对论效应量子力学三大假设也没有考虑由相对论所引起的某些重要问题。尽管在一定的限度内，忽略了相对论效应的薛定谔方程确实是一个相当好的近似，但在极高能领域或甚至低能领域的非常精确的研究中，它都是不适用的。如果想要是将新解释应用于高能领域内，我们就必须进一步考虑相对性。相对论效应1928年英国物理学家狄拉克（PaulAdrienMauriceDirac）提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程，即狄拉克方程。利用这个方程研究氢原子能级分布时，考虑有自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应，给出了氢原子能级的精细结构，与实验符合得很好。从这个方程还可自动导出电子的自旋量子数应为1/2，以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德g因子为轨道角动量情形时朗德g因子的2倍。相对论效应电子的这些性质都是过去从分析实验结果中总结出来的，并没有理论的来源和解释。狄拉克方程却自动地导出这些重要基本性质,是理论上的重大进展。利用这个方程还可以讨论高速运动电子的许多性质，这些结果都与实验符合得很好。我们的观点1、薛定谔方程在电子低速运动求解方程时可以较为完备的解释实验现象，但当讨论电子高速运动时相对论效应的存在会使之产生较大偏差，这时就应该使用狄拉克方程2、对于薛定谔的猫的实验，波函数物理意义的不明显性体现出来，但如果从多世界诠释理论解释又过于离奇，付出的代价是这些平行的世界全都是同样真实的，这与日常经验又是不相符的。我们的观点3、对于波函数物理意义，我们还是认为它是代表这一种几率性，电子光子衍射试验是非常有力的证据，并且在长期以来的实践中都证实了波函数几率性的正确，所以我们有理由相信波函数在现今的范围内确实对应着微观粒子空间的几率谢谢