9-1薛丁格之貓


1.薛丁格的實驗

「薛丁格之貓」是薛丁格提出的一項重要實驗:把一隻貓放進封閉的盒子內,將這個盒子連接到一個有毒氣體的實驗裝置。設想在一小時內有50%的可能性發生衰變,發生衰變,它將會觸發這個實驗裝置,打開裝有毒氣的容器,從而殺死這隻貓(如下圖示)

根據量子力學,未進行觀察時,貓處於已衰變和未衰變的疊加態,但若在一個小時後把盒子打開,實驗者只能看到「衰變的原子核和死貓」或者「未衰變的原子核和活貓」兩種情況。

現在的問題是:系統從何時不再處於兩種不同狀態的疊加態而成為其中的一種?在打開盒子觀察以前,這隻貓是死了還是活著亦或半死半活?

薛丁格指出,根據量子力學推論,在未經觀察的情況下,小貓一小時後會同時處於「又生又死」的重疊狀態,稱為「態疊加」。但是,若打開箱子用肉眼觀測,小貓只剩下「生」和「死」兩種可能,失去「又生又死」的可能性。

























2.哥本哈根詮釋
按照哥本哈根詮釋,當觀察發生時,系統不再處於兩種狀態的疊加態,轉而塌縮為其中任意一種狀態。薛丁格的思想實驗清楚地顯露出一個事實,即在這種詮釋裏,測量或觀察的概念並沒有被良好定義。這思想實驗可以被詮釋為,當盒子仍舊是封閉的時候,系統同時存在於「衰變的原子/死貓」和「未衰變的原子/活貓」這兩種狀態的疊加態,只有當盒子被打開,進行觀察時,波函數塌縮為其中任意一種狀態。然而,與哥本哈根詮釋有密切淵源的量子大師尼爾斯·波耳從來都不認同觀察引起的波函數塌縮這概念。薛丁格貓對他來說並不是什麼謎題,在盒子被一個有意識觀察者打開之前,貓早已不是死的就是活的了。


(下圖:原本處於態疊加狀態的貓,經由觀察後,事件分裂為非「死」即「活」的結果)
















3.多世界詮釋

根據多世界詮釋,每一個事件都是分支點。不論盒子是封閉的還是敞開的,貓是活的,也是死的,但活貓與死貓是處於宇宙的不同分支,這些分支都同樣真實,但彼此之間不能交互作用。因此,該詮釋是一種假定存在無數個平行世界,並以此解釋微觀各種現象的量子論。
當觀測一個處於共存狀態的量子時會引起這種狀態的崩潰,從而量子只具有粒子的性質,多世界詮釋認為,觀測時分離出無數個平行宇宙,每個宇宙都有一個確定的狀態,而我們只是在其中的一個特定宇宙。而薛丁格的貓再也不必為死活問題困擾,因為宇宙分裂成了兩個,一個有活貓,一個有死貓,只不過兩者無法交互作用。





























薛丁格如此描述「薛丁格貓」這實驗:類似這典型案例的眾多案例裏,原本只局限於原子領域的不明確性被以一種巧妙的機制變為宏觀不明確性,只有通過打開這個箱子來直接觀察才能解除這樣的不明確性。它使得我們難以如此天真地接受採用這種籠統的模型來正確代表實體的量子特性。就其本身的意義而言,它不會蘊含任何不清楚或矛盾的涵義。但是,在一張搖晃或失焦的圖片與雲堆霧層的快照之間,實則有很大的不同之處。
































(上圖:多世界詮釋認為,任何事件皆有可能分裂出無數個平行宇宙)

 

4.探訪平行世界

在不少電視影集裡,都有與「平行宇宙」相關的劇情,而這些平行宇宙,很可能存在於現實。例如,暗殺者的一顆子彈、一個宇宙射線的衝擊、乃至一個量子事件,都有可能使我們的宇宙分支出一個平行宇宙。以下便舉一個故事,來陳述這種偶然性:

某一個人醒來,發現他的妻子不認識他,那妻子甚至還尖叫著離開去報警。當他在城鎮周圍漫步時,他發現連他的摯友都對他很陌生,好像他從未存在過。最後,他造訪父母的家,更讓他大吃一驚。他的父母說他們從未見過他,並且他們從來沒有過兒子。沒有朋友、家人、家庭的他,漫無目的的在城市周圍遊蕩,最後在公園長椅上睡著了,如同流浪漢一般。當他第二天醒來時,他發現自己和妻子舒適的睡在床上;然而,當他的妻子轉過身來,他訝異的發現她根本不是他的妻子,睡在床上的竟然是一個從未見過的陌生婦女……

這樣一個荒謬的故事可能嗎?或許是。如果故事裡的主角問他母親一些透露真情的問題,他或許能發現她流過產,因此從來沒有過兒子。有時一條奇怪的射線、一個從外太空來的粒子就能夠穿透到胚胎內的DNA中,引起突變而流產。在這樣的情況下,一個單一的量子事件便能將兩個世界分開,一個是我們正常生活的世界、另一個世界除了你從未誕生以外是完全相同的。

 

4.黑洞與嬰兒宇宙
隨著黑洞釋放粒子和輻射,將損失質量,使黑洞變得越來越小,並更迅速地發射粒子。它最終會達到零質量並完全消失,對於那些落入黑洞的物體,還可能包括空間飛船都會發生什麼呢?答案可能是,它們會出發到它們自身的微小嬰兒宇宙中去。一個小的自足的宇宙從宇宙中我們的區域分叉開來,這個嬰兒宇宙可以重新連接到時空的我們的區域。如果發生這種情形的話,它在我們看來顯得是另外一個黑洞形成並隨後蒸發掉。落進一個黑洞的粒子會作為從另一個黑洞發射的粒子而出現。然而,我們不能觀察到在那裡存在多少個嬰兒宇宙,等待著和宇宙中我們的區域相連接。有的嬰兒宇宙只包含一些粒子,這些嬰兒宇宙是如此之微小,人們覺察不出它們的連接和分叉,可是,它們連接上後就改變了諸如一顆粒子所帶電荷的量的表觀的值。這樣,因為我們不知道有多少嬰兒宇宙等待在那裡,所以我們就預言不出這些量的表觀值。黑洞可以將粒子吸入,然後黑洞蒸發並從宇宙中我們的區域消失,或許能使這些粒子進入嬰兒宇宙中。這些嬰兒宇宙從我們的宇宙分叉出去、可以連接到其他什麼地方,對空間旅行無甚用處,但是它們的存在意味著我們預言能力比所期望的更差,即便我們真的找到了完整的統一理論。 


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