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通缉,死活(非死即活)

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获奖作家 除了是一位有成就的理论粒子物理学家,汉斯·克里斯蒂安·冯·拜尔还两次获得美国物理研究所的科学写作奖,以及西屋美国科学促进协会的写作奖和国家杂志的论文和评论奖。汉斯·冯·拜尔提供

汉斯·冯·拜尔说,我们都不用再担心Schrödinger的猫了。科学界最著名的假想猫可能真的死了——也可能还活着。但肯定不是两者兼而有之。

冯·拜尔在6月13日的《科学美国人》上发表了一篇文章,提出了一种解决Schrödinger的猫和量子力学的其他悖论的方法。量子力学是一种物质理论,在所有尺度上都很有效,解释了恒星的生命故事以及亚原子粒子的运动。

尽管它取得了成功,但量子力学的一些元素即使是经验丰富的物理学家也很难理解。在他的文章《量子贝叶斯能解决量子力学的悖论吗?》冯·拜尔指出,虽然量子力学是物理科学中最成功的理论,但“它也是最奇怪的理论。”

冯·拜尔是威廉与玛丽学院物理系的荣誉退休成员,他建议应用量子贝叶斯主义(Quantum bayesian,或QBism)理论来消除传统量子力学中出现的Schrödinger猫式悖论。他写道,在这个世界里,“粒子似乎同时出现在两个地方,信息的传播速度似乎比光速还快,猫可能同时是死的和活的。”

他的文章回顾了著名的思想实验,欧文Schrödinger试图通过这个实验来解释量子态的奇怪性质。Schrödinger设置了一个密封的盒子,里面装着一只活猫,一些放射性物质和一小瓶毒药,在一个机械装置的末端有一个锤子。这种放射性物质的性质决定了它在一小时内衰变的几率是50%。原子衰变触发了机制,导致锤子打碎了小瓶毒药,杀死了猫。

奇怪的是:只要盒子是密封的,你就必须认为猫既是死的也是活的。这就是量子状态下的生命——至少根据量子力学的经典解释是这样的。只要一个粒子有均等的机会处于一种状态或另一种状态,你就必须认为它同时处于两种状态。

冯拜尔写道,量子力学通过处理“波函数”(物体在量子状态下的数学表达式),消除了这种令人摇头的怪异现象。传统的解释将波函数视为物体的真实属性。相比之下,他解释说,QBism将波函数视为一种数学工具,仅此而已。在QBism下,波函数与被研究对象的现实无关,就像计算汽车油耗的长除法问题对汽油里程没有影响一样。他说,去掉波函数,悖论和荒谬就消失了。

冯·拜尔的文章对波函数及其在量子态中的作用给出了很好的、清晰的外行人解释。他还追溯了QBism的发展,包括该理论的根源可以追溯到尼尔斯·玻尔(Niels Bohr),以及它对贝叶斯定律(Bayes’Law)所概括的概率论的依赖。他还概述了对QBism的一些批评,包括当它应用于更大规模的现象时所产生的麻烦。

冯拜尔是威廉玛丽大学名誉物理学教授。他的科学写作获得了无数奖项,并出版了六本科普书籍。他曾在许多杂志和报纸上发表文章,向外行读者解释科学的各个方面,包括《发现》、《读者文摘》、《纽约时报》、《波士顿环球报》等。这篇关于QBism的文章是冯·拜尔在《科学美国人》上发表的第一篇文章。《科学美国人》是美国面向外行读者的主要科学杂志。