薛定谔的猫试验中,怎么做才能让开箱的瞬间猫必然存活?

如题所述

在前面我讲量子力学时曾经谈到“薛定谔的猫”这个思想实验,其实这个实验的目的是为了把微观世界的“叠加态”带到宏观来,起到嘲讽“叠加态”这个概念。因为薛定谔本人并不赞同“叠加态”,包括爱因斯坦最开始也不赞同。

如果你还不懂这个思想实验我再简单讲下,薛定谔的猫其实是一个思想实验,因为量子力学里面有个概念叫“叠加态”,这是什么意思呢?其实就是说一个微观粒子可以同时处于多个状态的叠加,比如微观粒子可以同时存在于2个位置,但是宏观世界是不可能的,一个苹果在A处,那么就绝对不可能在B处。但是微观粒子却拥有同时存在于2个位置的能力,所以我们就说微观粒子具有“叠加态”。


其实关于叠加态,我在前面写量子力学相关文章时多次谈到,如果你还不懂叠加态可以先去看看我往期写的文章,这里就不再详细剖析叠加态了。


由于这里镭元素是否衰变是属于微观意义上的随机事件,所以导致猫的生死也变成随机事件,这并不稀奇。但是问题的关键在于镭元素是否衰变不是我们宏观意义上的“随机”,而是微观意义上的“随机”,关于宏观和微观针对随机的差别我前面也专门写了文章来介绍,这里不再重复。

总之镭元素衰变与否由于属于微观意义的随机,所以镭其实可以处于“衰变”和“未衰变”的叠加态,也就是镭元素同时拥有两个状态,当因果链的源头拥有叠加态,就会导致因果链的末端也出现“叠加态”,也就是猫处于“生”和“死”的叠加态。但是现实中我们宏观世界并未出现过“既生又死”的猫,所以薛定谔认为这个思想实验证明了微观上的“叠加态”是荒谬的。不过让薛定谔没想到的是,自己苦心设计的思想实验,大部分人却把“薛定谔的猫”解读成“为了证明叠加态的正确性”而提出的,不知道薛定谔如果还活着到底是该哭还是该笑。


这里我要再次说明,后来的“贝尔不等式”在微观世界不成立,已经足以证明微观世界的“叠加态”是真实存在的,并非因为微观粒子运动速度太快导致“看起来”像叠加态,“看起来”像叠加态和“本来就是”叠加态,这可是两个不同的概念。关于“贝尔不等式”的详细剖析,我往期也详细写了文章介绍,这里不再重复,感兴趣的朋友可以自己去看看。

现在问题的关键在于“开箱”这个瞬间,猫的生死问题。由于箱子非透明,我们无法通过外界直接观察到里面的结果,所以在开箱之前猫其实一直处于“生”和“死”的叠加态。当我想看看猫的生死去开箱的一瞬间,假设发现猫死了,那么杀死猫的凶手就是你自己,因为开箱前猫处于生死叠加态,开箱后猫死了,也就是你把猫从“叠加态”变回“本征态”的。我前面专门介绍了微观世界的“观察”不仅仅是“发现”结果,而且还是“创造”结果,微观世界的观察和结果是有强烈的因果关系的,这和我们的宏观世界完全不一样,大家要注意。


但是我们有没有办法去开箱,然后让猫必然处于“生”这个状态呢?答案是有的,那就是利用“拉比振荡原理”。虽然微观世界的叠加态表示一种“不确定性”,但是不确定不等于无规律,而微观世界的“不确定”恰好就是一种“规律”,而这个规律的一部分就是“拉比振荡”。

什么是“拉比振荡”呢?其实就是描述微观世界概率的一种方式,大家想过没,如果你对概率论啥都不懂的情况下,你如何才能估算出概率值呢?一个最简单的办法就是大量重复实验算次数,比如针对“薛定谔的猫”这个思想实验,如果真的能在现实当中去做这个实验的话,可以把这个实验重复做,算生和死的次数,从而得出生和死的概率。


前面我曾经给大家写过一篇文章专门介绍“薛定谔方程”的波函数,其中谈到了波函数的模长的平方对应了微观粒子的概率值,如果你还没看这篇文章建议可以先去看看,也就是:

波函数模长*波函数模长=概率

我们可以这样来重复实验,当实验装置准备好以后,我们以准备好的那一刻定义为t=0,那么我们可以统计t=1、t=2、t=3、t=4、t=5、t=6、t=7、t=8,这8个时间点猫的生死次数,从而计算出在这8个时间点猫生和死的概率。


我们首先计算t=1时刻,猫的生和死的概率,既然把时间定为t=1,那么我们就必须重复这个实验很多次,比如100次实验,而且要强调的是,这100次实验都必须把实验装置准备好后等待1秒去开箱看看猫的生死状态,然后把情况统计出来,假设我们的统计结果是猫15次生,85次死,那么我们就大概估算出t=1时刻,猫的生概率是15%,猫死的概率是85%。

有了以上的实验方法,我们接下来就可以计算t=2时刻,猫的生和死的概率,实验方法还是刚刚这样做100次实验,但是这次一定要等实验装置准备好后等待2秒再去开箱看猫的生死,然后你会依然得出猫生的概率可能是25%,猫死的概率是75%。


用同样的方法我们可以计算出t=3、t=4、t=5、t=6、t=7、t=8这些时间点的概率值。请注意,每计算一个某时间点的概率,都要把实验重复100次,由于我们计算了8个时间点的概率,所以累计做实验次数是8*100=800次。

当你把这800次实验做完后,你暂时只看猫生的概率,然后让函数横坐标等于时间,纵坐标等于生的概率,你就会得出如下的函数图。


大家对这个函数图有没有熟悉的感觉,没错!这不就是三角函数当中的余弦函数的变形版本嘛,也就是这个函数y=coswt,其中t是自变量,y是函数值,w就是频率值。由于该函数的值都是0~1之间,而概率值恰好也是0~1之间,所以这两者对应上了。

有了这个概率函数图,我们就可以拯救薛定谔的猫了,因为我只需选择让函数值等于1的时间点去开箱即可,也就是函数的峰值对应的时间点去开箱,那么你会发现猫必然是生这个状态,当然你也可以专门选函数值是0对应的时间点去开箱,你会发现猫必然是死这个状态。如果你选择函数值介于0~1之间的其它点去开箱,那么开箱后猫到底生还是死就完全属于概率事件了。如下图所示。

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