宋峥很少去上毛教授的课,但是今天不同。
“在进入正题前我们先将目光转向一个你们很熟悉的实验,杨氏双缝干涉实验。这个实验的目的是证明光是一种波而不是一种粒子,”说着,毛教授切换了一下荧幕上的图片,“图中明暗相间的条纹说明光在通过双缝之后产生了干涉,而这证明了光是一种波。”
“这个实验似乎没什么独特的,它只是证明了光是波而已,但光真的是波吗?或者说,光仅仅只是波而已吗?爱因斯坦不这么认为,1905年他在论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》(这篇论文帮助他获得了1921年诺贝尔奖)中提出了一个与双缝干涉实验结果截然不同的观点,光是由一个个光量子组成的,光子说完美解决了困扰物理学界多年的光电效应问题(光电效应是指在高于某特定频率的电磁波照射下,某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流,即光生电)。”
“现在好了,我们有杨实验证明光是波,又有光电效应证明光是粒子,光到底是什么呢?对此现象德布罗意提出了一个非常著名的观点,光既是波又是粒子!这就是我们大家都知道的波粒二象性(相关详细内容在此就不赘述了)。
波粒二象性完美的解决了问题,单个光子的行为看起来就像一个经典粒子,而聚集在一起的时候,就形成了波,于是一切都解决了,真是可喜可贺,可喜可贺,可喜可贺?问题真的解决了吗?我们再倒回去看看杨氏双缝干涉实验,那么问题来了,双缝干涉实验中,单个光子是通过了左缝还是右缝?”
“这个问题的答案似乎很简单,各50%嘛,真的是这样吗?我们不妨做个实验,我们让单个光子轮流穿过双缝,用屏幕记下它们出现的位置,神奇的情况出现了,干涉条纹再次出现在了屏幕上!注意,是干涉条纹出现在了屏幕上,就像下面图片展示的一样。”说着,他又切换了一张图片,图片上一个球员正在冲着隔板上的两个空缺发球。
“将光子比作足球,这是我们原以为会出现的图案。”说着,他点了点球门位置的两堆足球,“而这,是实验得出的图案(足球以空隙中线对称出现了七堆)这意味着什么呢?意味着光子在通过双缝时似乎知道它有两个选择,所以表现的就像原双缝实验(用来证明光是波的那个)一样产生干涉条纹。这可不得了,光子又没有生命,它不能在通过双缝前通过看一眼来得知这是双缝实验,且实验中两条缝隙间的距离对于光子来说就像地球与月球之间的距离对于人一样遥远,那么,究竟是怎么回事呢?”
“哥本哈根派的物理学家认为,光子同时通过了左缝和右缝!注意,这里并不是指光子一半穿过左缝一半穿过右缝,而是同一个光子同时穿过了左缝和右缝。”
“什么,你说这简直是荒谬的难以置信,你要求在双缝边上架设仪器来观察究竟是怎么回事?当然没问题,但光子不好观测,我们改用同样具有波粒二象性,同样会产生干涉条纹的电子来做实验。
实验结果令人大跌眼镜,我们确实可以观测到电子通过了哪条狭缝,但怪异的是,一旦电子被观测到了,干涉条纹就消失了,如果不去观测,干涉条纹就又出现了。不仅如此,如果我们把仪器往后放,在电子即将到达屏幕前进行观测,也会出现这样的结果。这似乎表明,电子的行为和我们的观测有关。(且违背因果论,详细可百度延迟实验)
对此,哥本哈根派的解释是这样的,电子按照波函数弥散开去,变成概率波扩散到空间中,我们不观察它时,它处于同时通过左缝与右缝的叠加态中,我们一旦对其展开观察,它的波函数坍塌,于是一切尘埃落定,它通过左缝或是右缝。
如果说双缝干涉实验虽然令人费解但它只是与微观粒子有关的话,薛定德的猫就如同来自地狱的恶魔一般将不确定的因素带入了宏观之中。”
“薛定谔的猫原本只是薛定谔用来讽刺哥本哈根解释的:好,你哥本哈根派认为,没有测量前,一个粒子的状态是模糊不清的,处于各种可能性的叠加态中,是吧?不光是双缝干涉实验,比如一个放射性原子,它何时衰变是完全概率性的(不理解的建议百度半衰期),只要没有观察,它就处于衰变/不衰变的叠加态中,只有确实的测量了,它才随机选择一种状态出现。
那么,让我们想象一个实验:我们将一个放射性原子放在一个不透明的箱子中让它保持衰变/不衰变的叠加态,再将它相连一个结构巧妙的装置,只要这个原子衰变放出中子,它就会激发一连串连锁反应,最终打破箱子里的一个毒气瓶,与此同时,箱子里还有一只可怜的猫。事情很明显:如果原子衰变了,那么毒气瓶被打破,猫就会被毒死。要是原子没有衰变,猫就好好的活着。
根据推论: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,事情才会有定论:猫要么四脚朝天的被毒死了,要么它依旧活蹦乱跳。那么问题又来了,在我们打开箱子之前,这只猫处于什么状态?似乎唯一的解释就是,猫与我们的原子一样处在叠加态,这只猫陷入了生/死的叠加中。
好了,现在不光是微观粒子了,连猫也变成了幽灵,处在了生/死叠加态中。这就是薛定谔的猫的可怕之处,它将量子效应放大到了日常生活之中,我们周围的一切似乎显得不在那么真实了。
那么,将人放到类似的装置中也会有同样的结果吗?当你打开箱子放出那个人时,如果他侥幸还活着的话他会这么描述吗?“当时我感到自己变成了概率波,处于生与死的叠加态中,那感觉太令人舒服了,下次我要设计实验让自己处于男/女的叠加态中,变为FUTA(雾)”不,不会的,他只会说:“箱子好黑我好怕,放置play一点也不好玩”他与猫不同的是,他一直在对自己进行观测,他一直导致了波函数的坍塌,我们讲一个观测者放入了箱子中!
那么,问题再次出现,人与猫的区别在哪里呢?难道只是因为猫只会喵喵叫而人会怒斥量子理论是个狗屁玩意吗?令人惊奇的是,这的确是一个至关重要的区别,人有能力“测量”自己活着与否,而猫不能。人有一样猫所没有的东西,那就是“意识”!
这似乎听起来很荒谬,但作为量子力学对此最正统的解释,哥本哈根解释就是这样的。而且它还不是最毁三观的,多世界,可择历史,多宇宙,隐变量等没一个不毁三观的。
(在这里关于“意识”的问题,与其说是“唯心”与“唯物”之争,不如说是实证主义与柏拉图主义之争。另外,量子论本身是严格用数学表达的,和意识|形态完全没有关系)
假如我们将一个摄像机或其他类似的东西放入箱子中,摄像机会与猫一同陷入叠加态中,只不过一个是生/死叠加态,一个是记录到猫死了/记录到猫活着叠加态。还有,不管放入箱子中的人是瞎子,哑巴还是怎么的,只要他能“测量”自己是否活着,就不会处于叠加态。”
“但是,如果观察者是更高级别的存在,而我们是盒子里的猫,那,会发生什么呢?”