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薛定谔的故事

来源:颗粒在线 1681 2019-08-12

薛定谔方程

薛定谔方程(Schrodinger Equation),又称薛定谔波动方程(Schrodinger Wave Equation)。在量子力学中,体系的状态不能用力学量(例如x)的值来确定,而是要用力学量的函数Ψ(x,t),即波函数(又称概率幅,态函数)来确定,因此波函数成为量子力学研究的主要对象。力学量取值的概率分布如何,这个分布随时间如何变化,这些问题都可以通过求解波函数的薛定谔方程得到解答。

薛定谔方程是量子力学的基本方程,它揭示了微观物理世界物质运动的基本规律,就像牛顿定律在经典力学中所起的作用一样,它是原子物理学中处理一切非相对论问题的有力工具,在原子、分子、固体物理、核物理、化学等领域中被广泛应用。

薛定谔的猫

薛定谔的猫(Erwin Schrodinger's Cat),这个现象的全称应该是——薛定谔佯谬,哥本哈根派认为,量子系统中的叠加态,会因与外部世界的相互作用,或被外部世界测量时而变成一种固定态,“薛定谔的猫”这个实验,就是薛定谔最初被用来反驳这一理论而设计的一个理论实验,即量子力学中的叠加态,不会因与外部世界的相互作用,或被外部世界测量时而变成一种固定态。

这个理论实验的内容是,把一只猫放进一个封闭的不透明盒子,在这个封闭的盒子里,薛定谔放进了一个放射性原子,一个可以检测原子衰变的装置,和一个毒气释放装置。这个原子在一个小时内有几率发生衰变,如果发生衰变就会被检测装置所检测到,进而激活毒气释放装置,施放毒气杀死猫。那么这个被放进封闭盒子里的猫,就处于一种叠加态。这个猫在一个小时内是生是死?

在打开盒子之前,我们是不知道这个猫是死是活的,这个需要外部世界的观察,按照哥本哈根学派的理论来说,在打开盒子进行外部世界的观察时,猫的生死就会是一个固定的状态,要么生,要么死,这个理论看起来并没有什么问题,我们是要在打开盒子之后才能确定猫是死是活。但从客观上讲,猫的死活,是不需要外部世界的观察的!早在你观察之前,它的生死就是固定的!

1887年8月12日,埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger)出生于奥地利首都维也纳。1906年至1910年,他就读于维也纳大学物理系。1910年获得博士学位。毕业后,在维也纳大学第二物理研究所从事实验物理的工作。第一次世界大战期间,他应征服役于一个偏僻的炮兵要塞,利用闲暇时间研究理论物理。战后他仍回到第二物理研究所。1920年他到耶拿大学协助维恩工作。1921年薛定谔受聘到瑞士的苏黎世大学任数学物理教授,在那里工作了6年,薛定谔方程就是在这一期间提出的。

1927年薛定谔接替普朗克到柏林大学担任理论物理教授。1933年希特勒上台后,薛定谔对于纳粹政权迫害爱因斯坦等杰出科学家的法西斯行为深为愤慨,移居牛津,在马达伦学院任访问教授。同年,他与保罗·狄拉克共同获得诺贝尔物理学奖。

1936年他回到奥地利任格拉茨大学理论物理教授。不到两年,奥地利被纳粹并吞后,他又陷入了逆境。1939年10月流亡到爱尔兰首府都柏林,就任都柏林高级研究所所长,从事理论物理研究。在此期间还进行了科学哲学、生物物理研究,颇有建树。出版了《生命是什么》一书,试图用量子物理阐明遗传结构的稳定性。1956年薛定谔回到了奥地利,被聘为维也纳大学理论物理教授,奥地利政府给予他极大的荣誉,设定了以薛定谔命名的国家奖金,由奥地利科学院授予。

1961年1月4日,薛定谔因患肺结核病逝于奥地利维也纳,享年74岁。


科学小讲堂

叠加态(Superposition State):又称叠加状态,是指一个量子系统的几个量子态归一化线性组合后得到的状态。这个概念涉及到宏观与微观的差异性,在宏观世界里,我们知道,一个物体,在一个时间所处的位置是固定的,例如你有个习惯,在每个晚上八点拿起手机准时观看我更新的内容,你手机会在2018年8月12日晚上八点在你手掌上,当你在2018年8月12日晚上八点五分看完《科学史上的今天》,把手机放在枕边,你的手机就会在2018年8月12日晚上八点五分在你枕边。这是一个确定的位置情况,但在微观世界里,这种情况就会有所不同。举个例子,就拿你身上细胞里的电子来说,这个电子没有“习惯”,就算它曾经在一个时间出现在一个位置十几次,但在下一次,它在这个时间,就处于不同的位置,科学家们就把这个电子会在这个时间里可能出现的几个位置命名为叠加态。叠加态不光是指电子,举这个例子只是想要说明叠加态的性质——即在微观世界里,一个物体或事件,在一个时间,会出现不同的状态。


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