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          薛定諤的故事

          來源:顆粒在線 1785 2019-08-12

          ??薛定諤方程

          薛定諤方程(Schrodinger?Equation),又稱薛定諤波動方程(Schrodinger?Wave?Equation)。在量子力學(xué)中,體系的狀態(tài)不能用力學(xué)量(例如x)的值來確定,而是要用力學(xué)量的函數(shù)Ψ(x,t),即波函數(shù)(又稱概率幅,態(tài)函數(shù))來確定,因此波函數(shù)成為量子力學(xué)研究的主要對象。力學(xué)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(shù)的薛定諤方程得到解答。

          薛定諤方程是量子力學(xué)的基本方程,它揭示了微觀物理世界物質(zhì)運動的基本規(guī)律,就像牛頓定律在經(jīng)典力學(xué)中所起的作用一樣,它是原子物理學(xué)中處理一切非相對論問題的有力工具,在原子、分子、固體物理、核物理、化學(xué)等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

          薛定諤的貓

          薛定諤的貓(Erwin Schrodinger's Cat),這個現(xiàn)象的全稱應(yīng)該是——薛定諤佯謬,哥本哈根派認為,量子系統(tǒng)中的疊加態(tài),會因與外部世界的相互作用,或被外部世界測量時而變成一種固定態(tài),“薛定諤的貓”這個實驗,就是薛定諤最初被用來反駁這一理論而設(shè)計的一個理論實驗,即量子力學(xué)中的疊加態(tài),不會因與外部世界的相互作用,或被外部世界測量時而變成一種固定態(tài)。

          這個理論實驗的內(nèi)容是,把一只貓放進一個封閉的不透明盒子,在這個封閉的盒子里,薛定諤放進了一個放射性原子,一個可以檢測原子衰變的裝置,和一個毒氣釋放裝置。這個原子在一個小時內(nèi)有幾率發(fā)生衰變,如果發(fā)生衰變就會被檢測裝置所檢測到,進而激活毒氣釋放裝置,施放毒氣殺死貓。那么這個被放進封閉盒子里的貓,就處于一種疊加態(tài)。這個貓在一個小時內(nèi)是生是死?

          在打開盒子之前,我們是不知道這個貓是死是活的,這個需要外部世界的觀察,按照哥本哈根學(xué)派的理論來說,在打開盒子進行外部世界的觀察時,貓的生死就會是一個固定的狀態(tài),要么生,要么死,這個理論看起來并沒有什么問題,我們是要在打開盒子之后才能確定貓是死是活。但從客觀上講,貓的死活,是不需要外部世界的觀察的!早在你觀察之前,它的生死就是固定的!

          1887年8月12日,埃爾溫·薛定諤(Erwin Schrodinger)出生于奧地利首都維也納。1906年至1910年,他就讀于維也納大學(xué)物理系。1910年獲得博士學(xué)位。畢業(yè)后,在維也納大學(xué)第二物理研究所從事實驗物理的工作。第一次世界大戰(zhàn)期間,他應(yīng)征服役于一個偏僻的炮兵要塞,利用閑暇時間研究理論物理。戰(zhàn)后他仍回到第二物理研究所。1920年他到耶拿大學(xué)協(xié)助維恩工作。1921年薛定諤受聘到瑞士的蘇黎世大學(xué)任數(shù)學(xué)物理教授,在那里工作了6年,薛定諤方程就是在這一期間提出的。

          1927年薛定諤接替普朗克到柏林大學(xué)擔(dān)任理論物理教授。1933年希特勒上臺后,薛定諤對于納粹政權(quán)迫害愛因斯坦等杰出科學(xué)家的法西斯行為深為憤慨,移居牛津,在馬達倫學(xué)院任訪問教授。同年,他與保羅·狄拉克共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

          1936年他回到奧地利任格拉茨大學(xué)理論物理教授。不到兩年,奧地利被納粹并吞后,他又陷入了逆境。1939年10月流亡到愛爾蘭首府都柏林,就任都柏林高級研究所所長,從事理論物理研究。在此期間還進行了科學(xué)哲學(xué)、生物物理研究,頗有建樹。出版了《生命是什么》一書,試圖用量子物理闡明遺傳結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。1956年薛定諤回到了奧地利,被聘為維也納大學(xué)理論物理教授,奧地利政府給予他極大的榮譽,設(shè)定了以薛定諤命名的國家獎金,由奧地利科學(xué)院授予。

          1961年1月4日,薛定諤因患肺結(jié)核病逝于奧地利維也納,享年74歲。


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          疊加態(tài)(Superposition State):又稱疊加狀態(tài),是指一個量子系統(tǒng)的幾個量子態(tài)歸一化線性組合后得到的狀態(tài)。這個概念涉及到宏觀與微觀的差異性,在宏觀世界里,我們知道,一個物體,在一個時間所處的位置是固定的,例如你有個習(xí)慣,在每個晚上八點拿起手機準時觀看我更新的內(nèi)容,你手機會在2018年8月12日晚上八點在你手掌上,當你在2018年8月12日晚上八點五分看完《科學(xué)史上的今天》,把手機放在枕邊,你的手機就會在2018年8月12日晚上八點五分在你枕邊。這是一個確定的位置情況,但在微觀世界里,這種情況就會有所不同。舉個例子,就拿你身上細胞里的電子來說,這個電子沒有“習(xí)慣”,就算它曾經(jīng)在一個時間出現(xiàn)在一個位置十幾次,但在下一次,它在這個時間,就處于不同的位置,科學(xué)家們就把這個電子會在這個時間里可能出現(xiàn)的幾個位置命名為疊加態(tài)。疊加態(tài)不光是指電子,舉這個例子只是想要說明疊加態(tài)的性質(zhì)——即在微觀世界里,一個物體或事件,在一個時間,會出現(xiàn)不同的狀態(tài)。


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