薛定谔说什么?

标签:
薛定谔方程薛定谔的猫悖论波函数破执悟空 |
薛定谔方程和薛定谔的猫悖论,常常被提起,它们到底说什么呢?对于没学过大学物理甚至也不懂微积分的人,能否直观简单的理解下呢?
先介绍下配角:(此段亦可省略不看)
是普朗克常量,就是个常数;
为粒子质量;
为粒子的势能函数;
算符,称为直角坐标的拉普拉斯算符,如果不懂微积分,就把它理解成像加减乘除那样的一个算符。
主角就是波函数了,它是一个函数,自变量是(x,y,z,t),就是由粒子位置和时间决定的一个函数。它有什么物理含义呢?有意思的是,波函数
是从经典力学物质波中类比出来的一个函数,出生的时候,物理学家也不知道它的意义,后来才逐步发现它有特殊的意义,就是表达概率。
等于粒子在t时刻,出现在(x,y,z)点上的概率密度!
所以波函数是具有统计意义的,当我们想知道粒子在某一个空间和时间内,出现的概率是多少,就把这个粒子的波函数在该空间和时间上做一个积分!(不理解积分的,就理解成都加起来好了)。
考试的时候呢,多是考察定态薛定谔方程,所谓的定态,就是粒子的势能与时间无关,方程右边都没时间啦,那当然左边的态函数也与时间无关了。直观地看,就是粒子们都乖乖的,无论什么时候,概率分布都不变。原子、分子、固体等领域涉及物质结构的问题中,都是用定态薛定谔方程的,为什么呢?因为你们家的桌子,放一年还是个桌子,不会随着时间的流转,变成电脑不是?
这样看来,薛定谔方程也没什么好玩的,下面介绍下薛定谔的猫。
把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核和一个装有有毒气体的容器的实验装置。设想这个放射性原子核在一个小时内有50%的可能性发生衰变。如果发生衰变,它将会发射出一个粒子,而发射出的这个粒子将会触发这个实验装置,打开装有毒气的容器,从而杀死这只猫。根据量子力学,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,但是,如果在一个小时后把盒子打开,实验者只能看到“衰变的原子核和死猫”或者“未衰变的原子核和活猫”两种情况。
现在的问题是:这个系统从什么时候开始不再处于两种不同状态的叠加态而成为其中的一种?在打开盒子观察以前,这只猫是死了还是活着抑或半死半活?
猫在一个小时后内死活的概率都是50%,就是说在一个小时内,波函数是定态波函数。猫的状态永远是50%死+50%活。可是我们打开盒子的时候,看到的是确定的状态啊,非死即活。猫的状态是什么时候确定的,不再是50%死+50%活呢?就是我们打开的那一刹那,那一刹那发生了什么?就是我们去观察了,我们观察的行为导致了状态确定唯一。科学家给这个事情起了个名字叫“波函数坍塌(Collapse)”,就是说我们一观察,波函数就坍塌了,没用了。此外还有延迟选择实验等,都在说观察这一行为的可怕性,就是我们的观察或者任何行为,甚至能够影响一个粒子的过去。于是前沿物理学界认为,这是一个参与的宇宙(participation univers),宇宙的过去和现在未来都是因这个观察者而存在,或者说是观察者创造了宇宙。
即然一切都是我们自己创造的,佛说皆是幻相,破执悟空,放下者大自在。