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就在现在,从你的身体来说,你知道你所阅读的这本书的位置以及它正以多快的速度运动。因此你了解它的位置和速度,而且还算是精确。依然,关于它的位置与速度的不确定性还是存在——但这个不确定性实在太小,你无法注意到,因此这种不确定性对实际生活不会产生什么影响。
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然而,在微小的世界,处于缩微版状态的你,将无法把书拿在手上,甚至那个手电筒也一样。一旦你精确地知道了这本缩微版的书的位置,关于它速度的不确定性将变成巨大,因为你得发射许多粒子来确定它的位置,你将永远无法盯着它看。或者,如果你精确地知道它移动得多快,那么无论你用什么方法,都无法知道它所处的位置,在那里,阅读变成了一件困难的事。在非常小的世界里,位置和速度合并成一个模糊的概念。随着技术应用变得越来越小,这是一个工程师们越来越需要面对的挑战。
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说了这么多,海森堡测不准原理并不神秘。
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它是个事实。
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严格说来,它甚至不是测不准。它只是显示出我们在日常经典世界中对于位置与速度的理解不适用于微小的世界。在这里,大自然以一种非常不同的规则运行,我们也有理论解释它,理论学家们用它来预言:量子物理学。而且这个测不准原理也的确延伸到我们生活的尺度,只是我们不能感觉到而已。当涉及太多粒子时,其效应变得不那么显著。这也是一个被彻底研究过的事实。
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那么我们所要寻找的谜团在哪里?到底存不存在?
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存在的。
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在你的测量过程中我们忽略了一些东西:量子波的自我塌缩。
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那就是谜团。
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真正让人无法理解的谜团。
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如果不去管它,量子粒子表现出它自身的多重影像(确切地说,像波),在时空中同时沿着所有可能的路径移动。
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现在,再问一遍,为什么我们从来没有在自己身上体验过这种多重性?这是因为我们一直不停地观察我们身边的一切吗?为什么所有牵涉到确定某个粒子位置的实验可以让此粒子突然从无处不在的状态变到只存在于此处的状态?
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没有人知道。
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在你观察它之前,一个粒子呈现出波动状的可能性。在你观察它之后,它就位于某处,而且永远位于该处,而不是接着再回到无处不在的状态。
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很奇怪,那种行为。
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量子物理学中的所有规则中,没有一条允许这样的塌缩发生。这既是一个理论上的谜团,又是一个实验上的谜团。
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量子物理学规定,只要那里存在某些东西,它就能转化成一些别的什么——当然如此,但它不能凭空消失。因为量子物理学允许多种可能性同时发生,这些可能性就应该保持存在,即便你对它进行了观测之后。但事实并非如此。除了一个现实,其他所有的可能性都消失了。我们在自己周围再也见不到那些其他可能性。我们生活在一个日常经典世界,所有一切都基于量子规则,但这个世界却又与量子世界完全不同。
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所以问题就是:我们如何才能让量子效应出现在我们人类生活的尺度上,这样我们就能在对它们进行观测时亲眼看到塌缩——如果这种塌缩真的存在的话。这可能吗?如果我们能够看到这样的量子效应,我们预期将看到什么?
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一九三五年,在因量子物理学方面的研究获得诺贝尔奖的两年之后,奥地利物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schr.dinger)设计了一个将量子效应带入我们生活尺度的实验。实验里有一只猫和一只盒子。虽然这只是一个思想实验,但所有的科学家们自此之后都没有停止思考“那只猫到底是死的还是活的”这一问题。
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你再次重复他的实验。我希望你不要对可爱无辜喵喵叫的小猫有太深的感情:很有可能这只小猫会在这个实验中受到伤害。不管怎样,请记得我们在这里只是要让量子效应出现在宏观世界中。一些牺牲是不可避免的。
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说了这些声明之后,让我们开始吧。
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对于那些不知道猫是什么的人,一只猫就是一个有着四条腿,通常毛茸茸并长着一条尾巴的哺乳动物,生活在同我们一样尺度的现实之中。大多数人都喜欢爱抚它,但并不是所有人都如此。它们几乎什么颜色都有,不过据我所知,好像还没有绿色的。
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要做薛定谔的思想实验,你需要选定一只可爱的小猫,黑白色的,再找一只能够完美封闭的盒子,一旦关上,没有人能够从外面知道里面的情况。
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除了猫和盒子,你还需要找一种放射性材料,这种特殊材料,在你的实验过程中会有50%的机会产生射线。放射性材料很难被预测。根据量子规则,没有任何方式可以事先预测它会不会衰变并发出射线。只有概率。二分之一的可能性——对于你发现的材料来说。
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现在,你还需要再找到三个其他物体:一瓶装着致命毒药的管子,一把锤子和一个放射性探测器。
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