物理学哲学分享 http://blog.sciencenet.cn/u/赵国求 研究员,武汉市学科带头人,专著十部,国内外发表论文六十余篇。

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量子测量的错位

已有 4253 次阅读 2008-4-11 08:29 |个人分类:物理学哲学

认识了微观世界(量子力学)与宏观世界(经典力学)作用机制——非连续与连续的根本区别,由“薛定谔猫”理想实验产生的悖论也可以自然消除。

薛定谔是这样设计他的猫论假想实验的:一只猫和扳机同置于钢箱中。扳机设计如下:盖革计数器中置少量放射性物质,在一小时内有原子衰变和没有原子衰变的几率相等。如果有原子衰变,计数器发生反应,并作用于一个装有小锤的继电器,使小锤打碎一个盛有氢氰酸的瓶子,从而毒死箱中的猫。如果一小时内没有原子衰变,猫就还活着。于是,按哥本哈根解释,一小时后,原子可表达成衰变态和未衰变态的叠加,而猫则可表达成死猫和活猫的叠加,即箱中有一只既死又活,或者不死不活的猫。由于真实世界中,猫要么是死了,要么还活着,不死不活的猫不存在,在薛定谔猫实验中,死猫或活猫的出现难道是人打开箱盖观察的瞬间形成的吗?量子力学允许不开箱盖之前有不死不活的猫存在,看来,死猫与活猫只能是开箱看的瞬时形成的。这就是薛定谔猫佯谬。

薛定谔猫的实验中,原子衰变放出光子,由于光的量子特性,其作用是不连续的,非连续作用使在时空系列中演化的原子衰变前后的状态可以突变,突变形态的存在构成了态的正交性。这就是说,衰变前的状态 是薛定谔方程的解,衰变后的状态 也是薛定谔方程的解,由于线性关系,ψ1+ ψ2 还是薛定谔方程的解,而且存在相干性,即原子有一个合理的既衰变又不衰变的解。这是量子力学的特征,是微观世界非连续作用的规律。但是,在薛定谔猫理想实验中,小锤的运动,氢氰酸瓶的完好与破碎,猫的死与活,却不符合量子力学适用的条件,而是符合牛顿力学适用的条件。锤的运动、瓶的好与破、猫的死与活,其突变只能是观念上的。

光子作用于小锤,小锤是一个机械装置,其运动状态的演变有机械力和引力的介入,而这种作用显然是连续的,连续的作用没有能级跃迁概念,状态的演变是连续的,不能突变。因此,小锤在运动过程中的前后状态 ψ 3ψ4不具备物理上的非连续作用的正交性,也不具备叠加相干性质。这就是说,小锤的前后状态不是薛定谔方程描述的符合原子内部情态的纯量子态。氢氰酸瓶子受小锤敲击也是连续的机械作用,瓶的完好状态ψ5与瓶的破碎状态ψ6也无叠加相干性质。猫的死活更是如此,氢氰酸毒死猫的过程绝不是量子过程。猫的死亡只能是一个受连续作用的渐变过程,活猫状态与死猫状态不能突变,也不能叠加相干。由于量子力学非连续性作用的条件被破坏,因此,对于猫来说,箱中不存在活猫和死猫的叠加状态。猫要么死了,它对应原子衰变;要么活着,它对应原子不衰变;ψ1+ ψ2没有猫的对应状态。从原子的衰变与否到猫的死活,在整个理想实验中,经历了从非连续作用(突变、正交、线性)到连续作用的演化过程,即经历了适合量子力学条件到不适合量子力学条件,转而适合宏观经典力学条件的转化。在整个装置中量子测量应放在原子上,打开箱盖引起波包坍缩是量子测量的错位。

由于小锤、瓶子、猫都处在经典连续作用条件的控制之下,其状态只能渐变,因此,它们的状态在演化前后都是确定的,是宏观时空描述的对象,对于猫来说就只有死与活两种独立的状态, ψ1+ ψ2与死猫加活猫的对应状态不存在。这样,不管你打不打开箱子,猫要么死了,要么还活着,它决定于原子是否衰变了,与人的主观观察无关。当然,人不去打开箱子,我们是不知道猫的死活的,但这与薛定谔猫悖论是两回事。看来,薛定谔猫悖论的产生,原因是忽视了量子力学和经典力学适用条件的根本差别,它是微观作用机制与宏观作用机制混淆形成的怪胎。

即使按冯·诺曼假设,猫的死活可以写成纯量子态,但由于猫自身内部“布朗运动式”涨落的影响,使得连续作用的介入,纯量子态的存在也只有象征意义。猫一旦出生,由于自动退相干,几乎不要时间就变成了混合态,相干即可消失,笼中的猫不可能有死活的叠加态8

EPR论证和薛定谔猫的分析将直接帮助我们理解量子测量中仪器干扰问题的本质。所谓仪器的干扰,就是微观客体与仪器之间连续作用的介入。连续作用的介入,破坏了非连续作用物理上的正交量子态,系统从微观作用机制进入宏观作用机制,不可逆的测量过程也就产生了。

很明显,当相互作用机制由微观不连续向宏观连续过渡时,我们对客体“状态”的描述,也由对其时空中“形”的描述,转而对其时空中宏观质点轨迹或质点出现的概率的描述。客体的“状态”由微观变化的“形”向宏观质点收缩,并表现出运动轨迹或经典概率的过程,是一个由非连续作用向连续作用过渡的过程。这正是PenroseU过程向R过程过渡的物理实质。应该说,这与当今大多数物理学家要表达的思想是一致的。困惑了人们近百年的量子测量,看来也有了澄清之日。这就是我们运用相互作用原理对量子测量的定性解读。



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