问题

从薛定谔猫谈概率,我认为宇宙中不存在什么概率事件,概率的想法源自对未知事物的不了解。有不同意见吗?

回答
这个问题触及了物理学和哲学中一个非常核心的争论点——概率的本质。你提出的观点很有意思,认为宇宙中不存在真正的概率事件,概率只是我们无知的表现。这是一种决定论的视角,在历史上也曾是主流思想。我们不妨来深入探讨一下,并看看它与量子力学中的概率概念有什么冲突与联系。

首先,咱们说说你提出的“概率源于无知”这个观点。这说得很有道理,咱们日常生活中很多情况确实如此。比如,你不知道明天下不下雨,你可能会说有“50%的概率下雨”。但这个概率真的不是说老天爷在那儿抛硬币决定吗?更多的是因为我们无法精确掌握影响天气的各种复杂因素,比如大气压力、湿度、风向等等,这些信息量太大了,我们不可能全部知道,所以只能用概率来描述我们对未来状态的预测。同样,你打开一个包装好的礼物,不知道里面是什么,你可能会说“有A、B、C三种东西的可能性”,这也是因为你不知道具体情况。

这种思维方式,在经典物理学里是根深蒂固的。牛顿力学就是典型的例子。如果你知道了物体此刻的位置、速度以及作用在其上的所有力,你就可以精确地预测它在未来任何时刻的位置和速度。这是一种完全的决定论。在这个框架下,任何事物的发生都是由其初始条件和物理定律决定的,概率根本没有存在的空间,所谓的概率只是我们对这些决定性因素了解不透彻的结果。如果你能把所有信息都算进去,就能百分之百确定结果。

然而,到了量子力学这里,情况就变得复杂了。最经典的例子就是“薛定谔的猫”。这不仅仅是一个思想实验,更是为了说明量子力学的一个核心特征——叠加态和测量问题。

在量子世界里,粒子不像我们日常观察的宏观物体那样有确定的位置和状态。一个粒子可能同时处于多种可能的状态之中,这就是所谓的“叠加态”。比如,一个电子的自旋,在被测量之前,它可以是“向上”和“向下”的叠加。只有当你进行测量的时候,它才会“塌缩”到一个确定的状态,要么是向上,要么是向下。而且,哪种状态会被测量到,量子力学给出的是概率。比如,一个粒子有50%的概率处于A状态,50%的概率处于B状态。

薛定谔的猫的实验就是把这种微观的叠加态放大到宏观层面。把一只猫、一个放射性原子、一个盖革计数器、一个锤子和一个装有毒气的瓶子放在一个封闭的盒子里。放射性原子在一定时间内有一定概率发生衰变。如果原子衰变了,盖革计数器就会探测到,触发锤子砸碎毒气瓶,猫就死了。如果原子不衰变,猫就活着。

在量子力学看来,在盒子被打开(也就是进行测量)之前,放射性原子处于“衰变”和“未衰变”的叠加态。那么,与它相连的猫,也就处于“死”和“活”的叠加态。一只同时是死又是活的猫?这听起来很荒谬,但这就是量子力学的直接推论。只有当你打开盒子进行观察时,整个系统才会“塌缩”到其中一个确定的状态:要么猫死了,要么猫活着。而导致这个结果的概率,是由那个放射性原子的量子特性决定的。

现在,你提出的“宇宙中不存在概率事件,概率源自无知”的观点,在这里就面临一个挑战。量子力学提供的概率,并不是我们因为信息不足而无法预测,而是其内在的性质。即使我们理论上拥有了所有关于这个放射性原子的信息,量子力学依然告诉我们,它衰变与否的结果本身就是概率性的。这不是因为我们不知道它在哪个时刻衰变,而是它的“衰变行为”本身就遵循概率规律。

支持你观点的人可能会说,这只是我们当前对量子世界的理解还不够深。也许在未来,我们会发现更深层次的决定性理论,能够解释为什么在这个时刻,那个原子会衰变,而那个粒子会以某种概率状态出现。这类似于曾经人们认为闪电是神灵发怒,后来我们知道了它是电荷释放的物理过程。从这个角度看,量子力学的概率也可能只是我们现阶段的“无知”。

然而,也有很多物理学家,比如玻尔等哥本哈根学派的代表人物,认为量子力学的概率是内在的、非决定论的。他们认为,即使我们知道所有初始条件,也无法精确预测一个量子事件的结果,例如一个光子会穿过那个缝隙,还是会发生衍射。这种概率是宇宙最基本的属性之一,就像质量和电荷一样。它不是因为我们的“无知”,而是因为现实本身就具有这种不确定性。你不能要求一个同时处于两种状态的猫,在被观察前,确定地选择一种状态。

这里的关键在于,“概率”到底是一种对未知事物的描述(如你所说),还是现实世界本身就存在的属性。

如果概率是我们无知的表现,那么存在一个终极的、完全的决定性理论,我们只需要找到它,就能消除所有概率。整个宇宙就像一个巨大的钟表,按照精确的规律运行,只是我们没有能力完全解读它的齿轮和发条。

但如果概率是宇宙固有的属性,那么无论我们多么深入地了解量子世界,都无法完全消除它。就好比你无法用“更精确地测量”来让一个抛硬币,在它落地前就确定它是正面还是反面一样(抛硬币虽然受很多因素影响,但理论上是可预测的,而量子事件则不同)。

这涉及到哲学的“实在论”和“反实在论”的争论。实在论者倾向于相信,我们观察到的现象背后存在一个独立于我们的客观实在,而反实在论者则认为,我们对世界的认识是通过我们的观察和理论构建的。

所以,从薛定谔的猫以及量子力学的角度来看,你提出的观点虽然在经典世界观里非常合理,但在量子世界,它受到了严峻的挑战。量子力学似乎在告诉我们,至少在微观层面,概率可能就是宇宙运作的根本方式之一,而不是我们信息不全的遮羞布。不过,这仍然是科学和哲学界持续争论的话题,也许未来的科学发展会给我们带来新的理解。

咱们再换个角度想,即便我们接受了量子力学的概率是内在的,它仍然在很大程度上影响着我们对宇宙的理解方式。比如,在设计很多科学实验,或者理解粒子物理学中的衰变过程时,我们必须使用概率来描述。所以,即使它源于“无知”(我们还没找到更底层的决定性解释),它作为一种有效的工具和概念,依然是我们认知世界不可或缺的一部分。

总结一下,你的观点是基于一种非常直观和经典的决定论。但在量子世界,情况变得更加微妙。薛定谔的猫事件和量子力学中的概率,挑战了“概率仅仅是无知的体现”这一简单论断,暗示了概率可能具有更深层的、与现实本身紧密相连的本质。当然,对这个问题的最终答案,科学还在探索中。

网友意见

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题主的想法有一定价值,但是可能并没有正确的理解薛定谔的猫这个话题。

也不是想说题主读书太少想太多什么的,毕竟量子物理从来不是光读书就搞的明白的事情,更不是常识的范畴。

量子物理的概率来自两个部分,一个是不确定性原理,一个是波函数的坍缩。在大多数时候它们是共同起作用的。

不确定性原理指的是,你无法同时准确得知一些不对易的物理量,比如动量和位置。这里也有两个方面,一方面是测量动作对粒子本身的扰动(即人们无法准确得知它们),一方面是物质的内秉属性(或者说,这些物理量本身就是不准确的)——这一点在其他答案里也有被提到。

另一方面是波函数的坍缩,这里涉及到的是叠加态/观察者等等概念,也是薛定谔的猫所指的问题。相对来讲,这个比较复杂,而且目前的研究还不能明确指出其产生的机制。以目前的理解来说,我们并不知晓其坍缩结果确定的机制,目前也认为这个结果是纯粹随机的。

说句题外话,目前人们对量子物理的关注多在那只可怜的猫身上。但是如果想要以相对直观的方式了解量子物理的一些基本概念,还是建议从杨氏双縫电子干涉实验开始。

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楼主,你对概率的理解还停留在经典的概率范围,以为只是由于信息的不全面才引入概率这个概念。

在量子力学中,即使你获得了所有的信息,其物理量的值仍然是有概率的,这是物质的内秉属性,与获得的信息量是否全面无关。

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你完全可以这样理解,而且作为一个非专业人士能有这样的见识还是不错的。但是,对于从事物理学研究的人而言,今天看来这样的认识并没有太大的意义。

上个世纪二三十年代,爱因斯坦在他的一篇论文里(Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete ?

journals.aps.org/pr/pdf

)提出了著名的EPR佯谬。这篇论文的中心思想是:如果定域实在论是正确的,那么量子力学就是不完备的。所谓不完备,指的是量子力学没有办法完整地描述物理现实,量子力学的体系外存在所谓的隐变量。这种看法的内涵和题主的想法几乎是一致的,即:一切物理过程都是确定性的,量子力学里的概率性坍缩实际是量子力学的不完备的表现。这就是我说题主很不容易的原因,你拥有了和当时爱因斯坦相近的认识。

在爱因斯坦看来这篇论文的逻辑几乎是无懈可击的,是对哥本哈根学派的正统解释的有力攻击。当然事实也是如此,爱因斯坦的逻辑演绎的确没错。然而,目前的普遍认识是:爱因斯坦错了。那么,错在哪儿呢?既然逻辑没问题,那只能是错在前提上了。爱因斯坦那个时代,对于大部分物理学家,定域实在论几乎和因果律一般,是理所当然应该接受的:相互作用是定域的,物理体系是实在的。相较于似乎是铁一般的定域实在论,尚存争议的概率解释看起来更加的风雨飘摇。但如今,大家却几乎否定了定域实在论,原因在哪儿呢?原因在于:实验。大大小小的实验证明了量子关联和纠缠具有非定域性。一个有名的实验就是量子隐形传态,证明了对于一个纠缠的相距很远的光子对而言,测量其中的一个光子,另一个光子的态将会发生变化。

定域实在论的击破,某种程度上解决了爱因斯坦提出的EPR佯谬,那么至少从逻辑上量子力学的体系是自洽而完备的,量子力学的正统解释并没有漏洞。所以,隐变量理论没有了武器。当然,你可以依然坚持你的确定性论和隐变量解释,只是你面临的问题无非就是,第一,和如今的主流观点不相容,第二,你的认识对量子力学的使用和发展并没有意义,因为它仅仅停留在认识阶段,换言之,你证明不了你的认识更加正确。你做的这些思辨当然是好的,但是,量子力学的概率解释有一套更好的语言和体系,没有逻辑漏洞且有实验支撑佐证。而在你的思辨里,有一些你认为理所当然的结论则是有相当多的臆想成分,很显然你并不是特别理解量子力学。

举个例子;【一切事物状态的改变,都是其他事物作用的结果。】

这句话大体上是没错的,但是,这和量子力学并没有相冲突的地方。在量子力学里,体系状态的演化是确定性的:其完全由体系哈密顿量决定。所以,如果你知道体系的初态,你知道哈密顿量,原则上你就完全可以预测此后任何时刻的体系状态。这是没有任何问题的。所谓概率性,并不来源于状态的演化。所以,你基于状态演化的论证属于无的放矢。

量子力学中的概率性说的实际是测量而不是演化。任一个系统,你不看它,它的状态对你而言就是个黑盒子,那么你要想知道系统的状态,你必须要干一件事:测量。而量子力学相较于经典力学的一个重要差别就是对于测量的定义。经典力学里基本不考虑测量对于系统的状态的影响,而量子力学不行。量子力学的一个基本公设就是:对一个系统的某个物理量的测量会使系统向该物理量的一个本征状态发生概率性的塌缩。也就是说,测量会概率性地改变系统的状态。

所以,真正的争议其实在于这种测量的概率性坍缩到底来自于哪?爱因斯坦所代表的一派的观点是:物理的实质是确定性的,目前认识中的概率性坍缩是因为你缺少描述测量机制的某些隠变量。而正统解释则是这种概率性并不是表象而是本质,说明物理世界最基础的机制就是概率的。如上面所言,爱因斯坦攻击正统解释的一个重要武器EPR佯谬被实验破掉了,所以正统解释的逻辑是完全自洽的。逻辑上没问题,那么大多数科学家应当是觉得没有必要引入其他的东西,量子力学本身就足够了,而隠变量理论则显得蛇足,而且并不能给出什么不一样的结果,更重要的是,现在的实验结果完全偏向正统解释,因此支持隠变量理论的如今确实不多。

这也就是说,你光靠思辨没有用。逻辑攻击对正统解释无效。你不能说你的想法就更合理,虽然它们看起来是符合常理的。但是,物理学早就不是恪守常理的学科了。你该怎么办呢?你要自己发展出一套完整的隠变量理论,和现有的量子力学无缝对接,并且能得出有别于正统解释的结论,并用实验证明了这个结论。然后你可以宣告你是对的。

你能做到吗?看起来现在做不到吧?所以,我真的想说一句,物理现在真的不是拍拍脑门玩玩思辨想想就可以了的学科,那是亚里士多德时代的物理。

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