薛定諤的貓,盤點神秘莫測的科學理論

文章作者:藍色鳶尾 | 2016-03-07
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        人類在探索宇宙的過程中提出了很多很多的理論,并且去試圖去證實這些理論,薛定諤的貓是非常著名的一個理論,是由奧地利的科學家薛定諤提出來的,并且這個理論在很多方面都已經得到了應用,比如說在平行宇宙方面的應用就使用了薛定諤的貓這個理論,除了薛定諤的貓,科學上還有很多神奇的理論,這些理論的存在也說明了人類在探索宇宙、探索世界的過程中也是非常重要的,本文將為大家詳細的說明一些理論。

薛定諤的貓

認識薛定諤

        薛定諤全名埃爾溫•薛定諤,是一個來自奧地利的科學家,維也納大學哲學博士。蘇黎世大學、柏林大學和格拉茨大學教授。在都柏林高級研究所理論物理學研究組中工作17年。因發展了原子理論,和狄拉克共獲1933年諾貝爾物理學獎。又于1937年榮獲馬克斯•普朗克獎章。
        1887年埃爾溫•薛定諤出生在奧地利維也納附近的埃德伯格。在薛定諤幼年時期,他深受叔本華的影響,因此,他廣泛閱讀叔本華的作品,他的一生對色彩理論、哲學、東方宗教深感興趣。特別是印度教。1925年底到1926年初,薛定諤在A.愛因斯坦關于單原子理想氣體的量子理論和L.V.德布羅意的物質波假說的啟發下,從經典力學和幾何光學間的類比,提出了對應于波動光學的波動力學方程,奠定了波動力學的基礎。他最初試圖建立一個相對論性理論,得出了后來稱之為克萊因—戈登方程(見場方程)的波動方程,但由于當時還不知道電子有自旋,所以在關于氫原子光譜的精細結構的理論上與實驗數據不符。以后他又改用非相對論性波動方程──以后人們稱之為薛定諤方程──來處理電子,得出了與實驗數據相符的結果。

薛定諤的貓
        1926年他提出著名的薛定諤方程,為量子力學奠定了堅實的基礎。方程的提出只是稍晚于沃納•海森堡的矩陣力學學說,此方程至今仍被認為是絕對的標準,它使用了物理學上所通用的語言即微分方程。這使薛定諤一舉成名,他還在同年證明了自己的波動力學是與海森堡和玻恩的矩陣力學在數學上是等價的。

詳細了解薛定諤的貓

        “薛定諤的貓”是由奧地利物理學家薛定諤于1935年提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗,是把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界的推演。這里必須要認識量子行為的一個現象:觀測。微觀物質有不同的存在形式,即粒子和波。通常,微觀物質以波的疊加混沌態存在;一旦人的意識參與到觀測行為中,它們立刻選擇成為粒子。實驗是這樣的:在一個盒子里有一只貓,以及少量放射性物質。之后,有50%的概率放射性物質將會衰變并釋放出毒氣殺死這只貓,同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。
        薛定諤挖苦說:按照量子力學的解釋,箱中之貓處于“死-活疊加態”——既死了又活著!要等到打開箱子看貓一眼才決定其生死。正像哈姆雷特王子所說:“生存還是死亡,這是一個問題。”只有當你打開盒子的時候,疊加態突然結束,哈姆雷特王子的猶豫才終于結束,我們知道了貓的確定態:死,或者活。哥本哈根的幾率詮釋的優點:只出現一個結果,這與我們觀測到的結果相符合。有一個大的問題:它要求波函數突然坍縮,可物理學中沒有一個公式能夠描述這種坍縮。盡管如此,長期以來物理學家們出于或許實用主義的考慮,還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價:違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿于懷了。

薛定諤的貓

認識薛定諤方程

        薛定諤方程在量子力學中,體系的狀態不能用力學量(例如x)的值來確定,而是要用力學量的函數Ψ(x,t),即波函數(又稱概率幅,態函數)來確定,因此波函數成為量子力學研究的主要對象。力學量取值的概率分布如何,這個分布隨時間如何變化,這些問題都可以通過求解波函數的薛定諤方程得到解答。這個方程是奧地利物理學家薛定諤于1926年提出的,它是量子力學最基本的方程之一,在量子力學中的地位與牛頓方程在經典力學中的地位相當,超弦理論試圖統一兩種理論。
        很快,薛定諤就通過德布羅意論文的相對論性理論,推導出一個相對論性波動方程,他將這方程應用于氫原子,計算出束縛電子的波函數。因為薛定諤沒有將電子的自旋納入考量,所以從這方程推導出的精細結構公式不符合索末菲模型。他只好將這方程加以修改,除去相對論性部分,并用剩下的非相對論性方程來計算氫原子的譜線。解析這微分方程的工作相當困難,在其好朋友數學家赫爾曼•外爾鼎力相助下,他復制出了與玻爾模型完全相同的答案。因此,他決定暫且不發表相對論性部分,只把非相對論性波動方程與氫原子光譜分析結果,寫為一篇論文。1926年,他正式發表了這論文。
        一般,物理上將物理狀態與希爾伯特空間上的向量(vector),物理量與希爾伯特空間上的算符相對應。這種形式下的薛定諤方程H為哈密頓算符。這個方程在這個形式下充分顯示出了時間與空間的對應性(時間與能量相對應,正如空間與動量相對應,后述)。這種算符(物理量)不隨時間變化而狀態隨時間變化的對自然現象的描述方法被稱為薛定諤繪景,與之對應的是海森伯繪景。

薛定諤的貓

盤點其他的科學預測理論

        薛定諤的貓對于很多的一些人來說,基本沒有聽過,并且很多人都無法理解,因此才會在網上有很多人在討論薛定諤的貓存在的意義等,雖然很多人無法理解其中的意義,但是薛定諤的貓這個理論卻是有實際的應用意義的,尤其是在量子學方面的應用,下面為大家介紹一下其他的一些理論。

恐怖谷理論

        恐怖谷理論是一個關于人類對機器人和非人類物體的感覺的假設。它在1969年由日本機器人專家森昌弘提出假設,當機器人與人類相像超過95%的時候。由于機器人與人類在外表﹑動作上都相當相似,所以人類亦會對機器人產生正面的情感;直至到了一個特定程度,他們的反應便會突然變得極之反感。哪怕機器人與人類有一點點的差別,都會顯得非常顯眼刺目,讓整個機器人顯得非常僵硬恐怖,讓人有面對行尸走肉的感覺。人形玩具或機器人的仿真度越高人們越有好感,但當達到一個臨界點時,這種好感度會突然降低,越像人越反感恐懼,直至谷底,稱之為恐怖谷。可是,當機器人的外表和動作和人類的相似度繼續上升的時候,人類對他們的情感反應亦會變回正面,貼近人類與人類之間的移情作用。

外祖母悖論

外祖母悖論

        這一理論中,世界不是只有一個,而是有許多平行的世界存在,按照如今的歷史過程:羅馬帝國時代、大英帝國時代、工業時代、第一次世界大戰、第二次世界大戰、電腦網絡普及……如果將整個工業時代去掉,那至此以后的歷史軌跡將會得到巨大的改變,或者兩次世界大戰都不會出現,又或者世界大戰將會在我們的另外一個平行的世界里存在,也就是說另外一個世界如今的我們可能正在遭受著戰爭的陰影。這個時候“外祖母悖論”就有了合理的解釋:一個人可以回到過去殺死自己的外祖母,但這將導致世界進入兩個不同的(歷史;或者說時間線)軌道,一條中有那個人(原先的軌道),而另一條中沒有那個人。

黃油貓悖論

        這個悖論是由兩種民間智慧組合而成的理論,亦是一個有趣的思想實驗。我們確定兩條定律“貓永遠用腳著陸”;“黃油吐司永遠在涂上黃油的一面落地”皆是真確和有證據證明的。那么,把黃油吐司沒有涂上黃油的一面黏著貓的背部之時,會發生什么反應呢?
        某些人表示,黃油貓實驗將導致一個反地心引力的作用。他們猜測,黃油貓在半空落地之時,它將漸漸減速和轉動,最終到達一種恒穩狀態,與地面浮著一個短的距離高速轉動,使得吐司沒有涂上黃油的一面和貓背無法接觸地面。

潘洛斯階梯

潘洛斯階梯

        潘洛斯階梯,曾出現在電影《盜夢空間》里面的清醒夢境中。Arthur 展示給Ariadne看的奇怪階梯,以及Arthur繞到傭兵背后的樓梯間,這是一座無限循環的階梯。這種不可能出現的物體來自于將三維物體描繪于二維平面時出現的錯視現象。其名稱Penrose來自于英國數學物理學家羅杰•潘洛斯,他于1950年代設計了Penrose triangle,潘洛斯寫了幾篇文章討論這些所謂的不可能事件。
        上面盤點的都是一些所謂的悖論的假說,雖然說在科學上并沒有太多的應用,但是這些悖論的提出來也表明的是科學上存在的探索意義,但是上面的那些理論和薛定諤的貓不同,薛定諤的貓雖然直接的應用不強,但是在平行宇宙上的應用卻是不可磨滅的。

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