寻找薛定谔的蟑螂(一)

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cockroach-kartoon1什么是蟑螂?

———————科普开始———————

蟑螂就是小强,下文都以小强代替蟑螂

———————科普结束———————

走进一间漆黑的屋子,把灯打开,你有没有发现小强惊惶地在地上乱窜?

小强同学的性格比较阴郁,喜欢待在暗处,越黑越好。所以每当到夜深人静、月黑风高的时候,小强们就会披上黑色的夜行衣,来到你的房间里为你清理垃圾。一个小昆虫,不远万里,来到你的家里为你默默的服务,这是什么精神?

当然,宇宙学院量子班的同学们也深深地被小强这种精神感动了,为此,他们专门召开了一个研讨会来学习小强精神。

量子班的同学都是很理性的,他们都喜欢刨根问底。为了深入研究小强精神,首先要了解小强的一切。“不,这是不可能的!”海森堡同学语惊四座,把手中的铅笔放下,接着说:“我们无法同时准确的知道小强的位置和动量。”一闻此言,研讨会上的同学们立刻沸腾了,质疑、嘲笑的声音不断传来。海森堡不慌不忙,咽了口唾沫,示意大家都静下来,继续说到:“如果我们想观察一只小强,我们就必须要用光来照射它,而光子是有动量的,打在小强身上就会轻微地改变小强的运动状态,这样我们就无法精确地知道它的位置了。当然,对小强如此庞大的东西来说,这种不确定的效果并不明显,但对于小小的电子,光子对其的干扰就很明显了。我们对它的速度知道的越多,对其位置知道的就越少,反之亦然。”

“那这是我们的实验方法导致的嘛,如果我们提高实验精度,这种效应就不存在了。”有同学反驳到。

“当然不是,这种不确定性是所有粒子与生俱来的气质,与我们是否在观察它们无关”海森堡解释道,“事实上,有很多原子会自发得发生衰变,这正是由于有些粒子利用这种不确定性,凭空’偷’来更多的能量,越过原子核的能量壁垒,从而发生衰变。理论上,对于小强,如果你把他关在一个小盒子里(太残忍了),有朝一日,它也能借助不确定性,凭空生出足够的能量,像崂山道士一样穿墙而出。但小强太大了,根据计算,要等到这一天,恐怕得等到宇宙年龄这么久……”

研讨会上的同学们都安静了下来,仔细思考海森堡提出的理论。这时,爱因斯坦发话了:“不可能,上帝怎么会掷骰子!”。爱因斯坦是量子班的班长,成绩好,年纪大,而且发过很都影响因子很高的paper,他说话自然有一定的分量,所以马上就有很多人跟着附和。但是也有很多人坚持站在海森堡这边,比如波恩、约当和狄拉克。

海森堡这时也没有闲着,把自己的初步计算成果写在了黑板上,他主要初步计算了电子跃迁到某几个状态的概率,然后把结果做成一张表。这个初步的结果对波恩等人的鼓舞很大,他们凑在一起,用数学的方法严密地描述了海森堡的不确定性原理。用他们的方法,可以计算出电子跃迁到每个状态的概率。他们所用的数学方法及其繁琐,以至于在场没有几个人能明白其中的内容。也难怪,他们发明了一种新的方法来表示粒子的各个状态,这东西看起来就像一行行一列列的数字,他们把它叫做“矩阵”。在当时来说,没人懂矩阵运算,约当发明了一些对矩阵运算发方法,极大的帮助了波恩和狄拉克的工作,后人把这种方法叫做“约当标准型”。

波恩、约当和狄拉克迫不及待地把他们的成果向全班同学展示,当然引起了同学们的热烈讨论。有人惊叹于不确定性的神奇和波恩等人数学方法的严密,自己做了一些实验验证,实验结果和理论吻合得很好。同时,也不乏有人发出不同的声音。