问题

薛定谔的猫可不可以架个摄像机观察它?

回答
这可真是个让人脑洞大开的问题!薛定谔的猫,那个关于量子叠加态的著名思想实验,本身就是一个为了说明微观世界诡异性质而设计的“寓言”。所以,当你说要给它“架个摄像机观察它”的时候,我们得非常小心地去理解这里的“观察”和“摄像机”究竟指的是什么,以及这和我们平常理解的观察有何不同。

首先,我们得明确一下薛定谔的猫这个实验的设定。它不是真的在家里放一只猫,然后期待它在盒子外面自己进入叠加态。这个实验是一个思想的产物,目的是为了说明将量子力学的叠加原理应用到宏观世界时会产生多么荒谬的结果。

实验的核心是这样的:在一个封闭的不透明的箱子里,有一只猫。箱子里还有一个装置,这个装置里有一个放射性原子核,一个盖革计数器,一个锤子,和一个装着氰化物的玻璃瓶。这个放射性原子核在接下来的一个小时内,有50%的概率会发生衰变,50%的概率不会。如果原子核衰变了,盖革计数器就会检测到并触发锤子,锤子落下打碎玻璃瓶,氰化物释放出来,猫就会死亡。如果原子核不衰变,什么都不会发生,猫就活着。

在量子力学看来,在箱子被打开观察之前,那个原子核处于“衰变”和“未衰变”的叠加态。也就是说,它既是衰变了,又是没有衰变的。因为猫的生死是和原子核的衰变状态直接关联的,所以,在箱子被打开之前,猫也就同样处于一种“活着”和“死了”的叠加态。这才是薛定谔想要强调的,将量子叠加这个只在微观粒子身上才被普遍接受的现象,放大到宏观世界后会显得多么不可思议。

那么,如果我们真的尝试给这个设定的箱子“架个摄像机观察它”,会发生什么呢?

这里关键点在于:“观察”在量子力学里,不仅仅是看看那么简单。

1. 摄像机本身就是一种“测量设备”: 摄像机的工作原理是通过光子与传感器(CCD或CMOS)的相互作用来记录图像。即使我们只是想“看看”箱子里是什么状态,摄像机也必须以某种方式与箱子内的环境互动。例如,为了让摄像机能看到箱子里,需要有光源。即使是微弱的光源,光子也会不可避免地与箱子内的原子、盖革计数器,甚至可能影响到那个放射性原子核。

2. 量子退相干是关键: 量子叠加态是非常脆弱的。一旦它与外界环境(任何足够复杂的系统,包括光子、空气分子、甚至测量仪器)发生相互作用,叠加态就会“坍缩”到一个确定的状态。这个过程叫做“量子退相干”。
摄像机的光子会和原子核发生作用吗? 理论上,非常非常微弱,但概率总是存在的。如果一个光子撞击到原子核,它可能会改变原子核的能量状态,从而影响其是否会衰变。这就像你试图不惊动一个正在熟睡的小婴儿,而小心翼翼地在他旁边放一个闹钟一样,总有被发现的风险。
摄像机本身发出的光子呢? 如果箱子内部是完全黑暗的,我们需要打光才能让摄像机工作。这些光子会与箱子里的任何东西发生碰撞,包括放射性原子核、盖革计数器等等。这种碰撞,哪怕再轻微,都可能造成退相干。
摄像机对盖革计数器的影响: 盖革计数器本身就是一个测量放射性衰变的装置。如果摄像机能“看到”盖革计数器,那说明摄像机和盖革计数器之间是有信息交换的。信息交换就意味着物理交互,就会导致退相干。

所以,从量子力学的角度来看,为薛定谔的猫架摄像机观察它,实际上就是在进行一个“测量”。

如果摄像机只是“记录箱子外部的某个状态”,比如箱子是否在晃动,那理论上可能不会直接影响原子核。 但即便如此,箱子外部的任何“观察”如果能获得关于箱子内部状态的任何信息(哪怕是间接信息),都会导致叠加态的坍缩。因为“信息”在量子力学中就是一种交互。
如果我们试图通过摄像机“看到”箱子内部猫的状态,那几乎一定会发生退相干。 摄像机镜头发出的光子、传感器本身,它们都是宏观的、复杂的物理系统,它们与箱子内部任何粒子的相互作用,都会迫使量子叠加态坍缩成一个确定的状态:要么猫活着,要么猫死了。

简而言之,你不能“不干扰地”观察薛定谔的猫。 任何有效的“观察”——用摄像机也好,用眼睛也好,用盖革计数器也好——都会是一个“测量行为”,它会强制让那个不确定的叠加态变成一个确定的结果。

那么,如果我的意思是,我在盒子外面安装一个完全被动,不发出任何信号,也不需要光线,就能看到里面的“超级摄像机”呢?

这就又进入了思想实验的范畴。如果存在这样一个神奇的、不产生任何物理交互就能获取信息的“摄像机”,那么它就可以在打开箱子之前“看到”猫的状态。但是,根据量子力学的标准解释,这种“看到”仍然会引发叠加态的坍缩。问题不是摄像机有没有发出光,问题是,摄像机作为一个独立的“观察者”——一个宏观的、经典的实体——与量子系统发生了某种信息上的连接。

一些更进阶的量子力学诠释,比如多世界诠释,可能会提供不同的视角。在多世界诠释下,当你打开箱子(或者你的“超级摄像机”完成了观察),宇宙会分裂成两个:一个是你观察到猫活着的分支,另一个是你观察到猫死了的分支。但即使在这种解释下,叠加态也确实“消失”了,你个人只能体验到其中一个结果。

所以,答案是:理论上,如果你是指一种能获得信息而又不产生任何物理交互的“观察”,那么你的“超级摄像机”可以让叠加态坍缩,但你个人只能看到一个确定的结果。但现实中,我们所知的任何“摄像机”或“观察”方式,都会对量子系统造成干扰,导致叠加态坍缩,从而“破坏”了薛定谔所设想的那种“既生又死”的叠加状态。

与其说“架个摄像机观察它”,不如说你实际上是在进行一次“测量”,而任何测量都会打破量子叠加态。薛定谔的猫的精髓,恰恰在于强调了这种不被观察时的“模糊”状态,以及一旦试图去“看清”它,这种模糊就会瞬间消失的量子特性。

网友意见

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谢邀,答完这个我觉得可以暂时不答知乎上的薛定谔猫的题目了。

首先答题:这么做没意义。

首先,薛定谔的猫作为一个思想实验,其中提的对象都是有其抽象概念的:

1,原子是否衰变 —— 微观叠加态

2,中子触发的毒气装置—— 叠加态的传递和扩大

3,猫的死活——宏观叠加态

4,盒子——内部系统与外部系统没有信息交换

5,打开盒子 ——盒子内部系统和外部系统进行信息交换

6,看一眼——意识和观察的参与

题主的摄像机,其抽象本质也就是3:宏观叠加态。因而我说,是否放摄像机对于实验并没有区别。

但是还是仔细讲一讲,如果多放一个摄像机会怎样?

为了更好的提供对比和解释,我要放一个比摄像机更厉害的东西进去:魏格纳的朋友。

魏格纳有一个爱猫的朋友,他戴着防毒面具进入薛定谔的猫盒。
按说,在打开盒子之前,这个朋友应该处于“猫死了卧槽”和“太好了猫活着”两种叠加态中
那么问题是,显然这朋友出来以后,一定不会认为自己经历过这种二逼的叠加态

这里涉及到的问题就是,叠加态何时坍缩以及为何坍缩的问题。

  1. 哥本哈根解释:认为叠加态的坍缩是由意识参与造成的,在意识参与时,叠加态坍缩。
    这个解释魏格纳的朋友的问题就比较简单粗暴,因为这个朋友存在意识,所以当他观察猫的时候,猫的叠加态已经坍缩了。所以他不会处于叠加态。
    有看官就问了,别跑题啊,这个和摄像机问题有什么关系?问的好。
    这里的问题在于,为什么薛定谔的猫实验,默认叠加态会出现在猫的身上?答:原子是否衰变的叠加态→是否释放出中子的叠加态→中子是否触发毒气装置的叠加态→猫是否被毒死的叠加态
    很显然这里的叠加态是经过传递的,问题是这个传递是必然的吗?其实这就是回答题主的摄像机问题。
    冯 诺依曼(对就是那个冯诺依曼)对此提出了一个说法,就是叠加态在系统内部的传递。叠加态在一个系统中会逐级传递,从一开始的原子一级传递到猫一级就是这样 的一个过程。如果你加入一个摄像机,那无非就是加上一层”猫是否被毒死→摄像机是否拍下猫被毒死“的叠加态传递。就像其他答案里说的,这个问题就变成了薛 定谔的摄像机。

    哥本哈根解释认为,当你检查摄像机的摄像结果之前,它其实是出于”拍到死猫“和”拍到活猫“的叠加态之中的。当你检查结果,意识参与,叠加态才坍缩成一个确定的态。于是你只看到其中一个结果。
  2. 另外一些观点则是不认同意识在这个过程中起到的作用。这里的解释流派林林总总的太多了,总体来讲,是认为在微观系统向宏观系统的渐进中,产生的某些变化使得叠加态消失/坍缩。
    这些观点基本认为,在薛定谔的猫的实验是分成两个阶段的,一个是纯粹的微观阶段,也就是原子衰变→释放中子。一个是纯粹的宏观阶段,即毒气毒杀那只猫。而叠加态的坍缩发生在中子触发毒气装置的过程,即微观向宏观过度的过程中。
    这些观点认为毒气装置其实就是一套观察装置,而即使没有意识的参与,有效的观察本身就已经破坏了叠加态。因而在具体的实验中,猫并未,也从没有陷入过又死又活的叠加态。当然魏格纳的朋友也就更不会进入又高兴又难过的叠加态了。
    这种观点的好处是摒弃了意识这个难以定义,难以数学化的概念。而且能够比较容易的解释量子擦除实验的结果:以偏振光量子擦除实验为例子:叠加态的坍缩是由于有效的观察(对光子进行偏振标记)造成的,而如果让观察无效化(抹去偏振标记),叠加态又会重新出现。而只要光子被标记了,无论人类的意识是否获悉观察的结果(即能否识别光子上的标记),都不影响实验结果。

    在这种解释中,摄像机观察到的至少宏观的非叠加的猫。猫的死活已经在毒气装置那一层的时候已经决定下来,所以摄像机放着跟不放也是没区别的。
  3. 多世界理论:认为所有的结果同时存在于不同的世界中。
    这个就比较科幻了。简单的说,就是多世界理论认为存在一个原子衰变-释放毒气猫被毒死的世界,也存在一个原子不衰变猫没死的世界。
    而这两个世界是在其中一个世界原子发生衰变的时候就分裂开来独立存在了。于是一个世界的魏格纳的朋友在说,卧槽死了。另一个世界的他则是为猫活下来而高兴。至于两个世界的摄像机,则忠实的记录下了这一切。
    当然多世界理论并不等同于平行世界。毕竟前者还是要解释客观擦的叠加态的问题的(比如托马斯杨的单电子双缝干涉实验)。一般多世界理论会认为这是两个世界之间的互相干涉。这就越扯越玄乎了。
    一种比较热门的多世界理论的模型是,所有多世界的总和也就是不同历的平行世界,构成了更高一级的维度。(在这里召唤三体粉和星际穿越粉),个人来讲,我觉得是假设太多,而且几乎不能证伪。我个人并不支持拿着奥卡姆剃刀到处挥,但是还是觉得多世界理论还是觉得太过科幻了。

以上:

1,摄像机并不改变薛定谔的猫的实验性质。

2,魏格纳的朋友在猫盒系统内部引入意识,我们基于这个来讨论不同学派如何解释叠加态的问题。

3,不同学派的解释如上。

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