薛定谔的猫,盘点神秘莫测的科学理论

文章作者:蓝色鸢尾 | 2016-03-07
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        人类在探索宇宙的过程中提出了很多很多的理论,并且去试图去证实这些理论,薛定谔的猫是非常著名的一个理论,是由奥地利的科学家薛定谔提出来的,并且这个理论在很多方面都已经得到了应用,比如说在平行宇宙方面的应用就使用了薛定谔的猫这个理论,除了薛定谔的猫,科学上还有很多神奇的理论,这些理论的存在也说明了人类在探索宇宙、探索世界的过程中也是非常重要的,本文将为大家详细的说明一些理论。

薛定谔的猫

认识薛定谔

        薛定谔全名埃尔温•薛定谔,是一个来自奥地利的科学家,维也纳大学哲学博士。苏黎世大学、柏林大学和格拉茨大学教授。在都柏林高级研究所理论物理学研究组中工作17年。因发展了原子理论,和狄拉克共获1933年诺贝尔物理学奖。又于1937年荣获马克斯•普朗克奖章。
        1887年埃尔温•薛定谔出生在奥地利维也纳附近的埃德伯格。在薛定谔幼年时期,他深受叔本华的影响,因此,他广泛阅读叔本华的作品,他的一生对色彩理论、哲学、东方宗教深感兴趣。特别是印度教。1925年底到1926年初,薛定谔在A.爱因斯坦关于单原子理想气体的量子理论和L.V.德布罗意的物质波假说的启发下,从经典力学和几何光学间的类比,提出了对应于波动光学的波动力学方程,奠定了波动力学的基础。他最初试图建立一个相对论性理论,得出了后来称之为克莱因—戈登方程(见场方程)的波动方程,但由于当时还不知道电子有自旋,所以在关于氢原子光谱的精细结构的理论上与实验数据不符。以后他又改用非相对论性波动方程──以后人们称之为薛定谔方程──来处理电子,得出了与实验数据相符的结果。

薛定谔的猫
        1926年他提出著名的薛定谔方程,为量子力学奠定了坚实的基础。方程的提出只是稍晚于沃纳•海森堡的矩阵力学学说,此方程至今仍被认为是绝对的标准,它使用了物理学上所通用的语言即微分方程。这使薛定谔一举成名,他还在同年证明了自己的波动力学是与海森堡和玻恩的矩阵力学在数学上是等价的。

详细了解薛定谔的猫

        “薛定谔的猫”是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的著名思想实验,是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演。这里必须要认识量子行为的一个现象:观测。微观物质有不同的存在形式,即粒子和波。通常,微观物质以波的叠加混沌态存在;一旦人的意识参与到观测行为中,它们立刻选择成为粒子。实验是这样的:在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。
        薛定谔挖苦说:按照量子力学的解释,箱中之猫处于“死-活叠加态”——既死了又活着!要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。正像哈姆雷特王子所说:“生存还是死亡,这是一个问题。”只有当你打开盒子的时候,叠加态突然结束,哈姆雷特王子的犹豫才终于结束,我们知道了猫的确定态:死,或者活。哥本哈根的几率诠释的优点:只出现一个结果,这与我们观测到的结果相符合。有一个大的问题:它要求波函数突然坍缩,可物理学中没有一个公式能够描述这种坍缩。尽管如此,长期以来物理学家们出于或许实用主义的考虑,还是接受了哥本哈根的诠释。付出的代价:违反了薛定谔方程。这就难怪薛定谔一直耿耿于怀了。

薛定谔的猫

认识薛定谔方程

        薛定谔方程在量子力学中,体系的状态不能用力学量(例如x)的值来确定,而是要用力学量的函数Ψ(x,t),即波函数(又称概率幅,态函数)来确定,因此波函数成为量子力学研究的主要对象。力学量取值的概率分布如何,这个分布随时间如何变化,这些问题都可以通过求解波函数的薛定谔方程得到解答。这个方程是奥地利物理学家薛定谔于1926年提出的,它是量子力学最基本的方程之一,在量子力学中的地位与牛顿方程在经典力学中的地位相当,超弦理论试图统一两种理论。
        很快,薛定谔就通过德布罗意论文的相对论性理论,推导出一个相对论性波动方程,他将这方程应用于氢原子,计算出束缚电子的波函数。因为薛定谔没有将电子的自旋纳入考量,所以从这方程推导出的精细结构公式不符合索末菲模型。他只好将这方程加以修改,除去相对论性部分,并用剩下的非相对论性方程来计算氢原子的谱线。解析这微分方程的工作相当困难,在其好朋友数学家赫尔曼•外尔鼎力相助下,他复制出了与玻尔模型完全相同的答案。因此,他决定暂且不发表相对论性部分,只把非相对论性波动方程与氢原子光谱分析结果,写为一篇论文。1926年,他正式发表了这论文。
        一般,物理上将物理状态与希尔伯特空间上的向量(vector),物理量与希尔伯特空间上的算符相对应。这种形式下的薛定谔方程H为哈密顿算符。这个方程在这个形式下充分显示出了时间与空间的对应性(时间与能量相对应,正如空间与动量相对应,后述)。这种算符(物理量)不随时间变化而状态随时间变化的对自然现象的描述方法被称为薛定谔绘景,与之对应的是海森伯绘景。

薛定谔的猫

盘点其他的科学预测理论

        薛定谔的猫对于很多的一些人来说,基本没有听过,并且很多人都无法理解,因此才会在网上有很多人在讨论薛定谔的猫存在的意义等,虽然很多人无法理解其中的意义,但是薛定谔的猫这个理论却是有实际的应用意义的,尤其是在量子学方面的应用,下面为大家介绍一下其他的一些理论。

恐怖谷理论

        恐怖谷理论是一个关于人类对机器人和非人类物体的感觉的假设。它在1969年由日本机器人专家森昌弘提出假设,当机器人与人类相像超过95%的时候。由于机器人与人类在外表﹑动作上都相当相似,所以人类亦会对机器人产生正面的情感;直至到了一个特定程度,他们的反应便会突然变得极之反感。哪怕机器人与人类有一点点的差别,都会显得非常显眼刺目,让整个机器人显得非常僵硬恐怖,让人有面对行尸走肉的感觉。人形玩具或机器人的仿真度越高人们越有好感,但当达到一个临界点时,这种好感度会突然降低,越像人越反感恐惧,直至谷底,称之为恐怖谷。可是,当机器人的外表和动作和人类的相似度继续上升的时候,人类对他们的情感反应亦会变回正面,贴近人类与人类之间的移情作用。

外祖母悖论

外祖母悖论

        这一理论中,世界不是只有一个,而是有许多平行的世界存在,按照如今的历史过程:罗马帝国时代、大英帝国时代、工业时代、第一次世界大战、第二次世界大战、电脑网络普及……如果将整个工业时代去掉,那至此以后的历史轨迹将会得到巨大的改变,或者两次世界大战都不会出现,又或者世界大战将会在我们的另外一个平行的世界里存在,也就是说另外一个世界如今的我们可能正在遭受着战争的阴影。这个时候“外祖母悖论”就有了合理的解释:一个人可以回到过去杀死自己的外祖母,但这将导致世界进入两个不同的(历史;或者说时间线)轨道,一条中有那个人(原先的轨道),而另一条中没有那个人。

黄油猫悖论

        这个悖论是由两种民间智慧组合而成的理论,亦是一个有趣的思想实验。我们确定两条定律“猫永远用脚着陆”;“黄油吐司永远在涂上黄油的一面落地”皆是真确和有证据证明的。那么,把黄油吐司没有涂上黄油的一面黏着猫的背部之时,会发生什么反应呢?
        某些人表示,黄油猫实验将导致一个反地心引力的作用。他们猜测,黄油猫在半空落地之时,它将渐渐减速和转动,最终到达一种恒稳状态,与地面浮着一个短的距离高速转动,使得吐司没有涂上黄油的一面和猫背无法接触地面。

潘洛斯阶梯

潘洛斯阶梯

        潘洛斯阶梯,曾出现在电影《盗梦空间》里面的清醒梦境中。Arthur 展示给Ariadne看的奇怪阶梯,以及Arthur绕到佣兵背后的楼梯间,这是一座无限循环的阶梯。这种不可能出现的物体来自于将三维物体描绘于二维平面时出现的错视现象。其名称Penrose来自于英国数学物理学家罗杰•潘洛斯,他于1950年代设计了Penrose triangle,潘洛斯写了几篇文章讨论这些所谓的不可能事件。
        上面盘点的都是一些所谓的悖论的假说,虽然说在科学上并没有太多的应用,但是这些悖论的提出来也表明的是科学上存在的探索意义,但是上面的那些理论和薛定谔的猫不同,薛定谔的猫虽然直接的应用不强,但是在平行宇宙上的应用却是不可磨灭的。

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