薛定谔的猫和宏观量子效应

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1、薛定谔的猫和宏观量子效应凌云刘一帆王瑛琪王纯麟（北京大学化学与分子工程学院07级北京100871）摘要薛定谔的猫是由奥地利物理学家薛定谔在1935年为了质疑量子力学的哥本哈根解释提出的。虽然在学界量子力学已经和哥本哈根解释等同起来，但是薛定谔猫始终让所有思考过它的人深深困惑，一些人因此仍在不懈努力寻求比哥本哈根解释更好的理论。另一方面，人们在实验室中对宏观物体的量子效应的实现已经取得了一定的进展。有人把这称之为薛定谔的猫的长大。本文以各种理论对薛定谔猫的处理为线索简要回顾了哥本哈根解释以及它的挑战者以及它们的命运，然后简单介绍了一下宏观量子效应以及一些被认为实现了薛定谔猫态的

2、重要实验。关键词薛定谔的猫宏观量子效应哥本哈根解释量子力学多世界理论退相干理论退相干历史系综解释隐变量理论自发定域理论SQUID实验1、引言自从普朗克在上个世纪的第一年提出黑体辐射的解释开始，人们渐渐认识到隐藏在经典世界下的量子世界。后者光怪陆离的性质与人们在经典世界中形成的常识相去甚远。上世纪2、30年代玻尔（NielsHenrikDavidBohr，1885-1962）等人提出的哥本哈根解释取得了巨大的成功，同时也带给人们更多的困惑。如何理解不确定性、叠加态、互补性原理？量子效应为何无法在日常生活中观察到？甚至，量子力学的深入研究，在人们关于因果性、决定论、客观实在等哲学

3、范畴的理解中掀起了一场风暴。在著名的薛定谔猫佯缪中体现了宏观世界和量子世界的激烈矛盾。另一方面，随着实验技术的进步，人们已经开始通过实验逼近量子世界和宏观世界的边界，实现了较大尺度上的量子态叠加。考虑到过去80年中量子力学在实际应用领域带给我们生活的巨大贡献，这些实验具有深远的意义。11.1哥本哈根解释1.1.1量子力学的早期建立19世纪后期，拥有牛顿经典力学体系和麦克斯韦电磁理论的物理学处于黄金年代。但正如开尔文爵士（LordKelvin，1824～1907）所说，在物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小乌云，分别是黑体辐射问题和迈克耳逊-莫雷实验的研究。后者导致了相对论革命，

4、而普朗克（MaxKarlErnstLudwigPlanck,1858―1947）对于黑体辐射的解释正是量子力学蹒2跚的起步。普朗克首先引入了量子化条件。在他之后，爱因斯坦提出了光量子理论，玻尔提出了他对原子结构的半量子化解释都取得了实验的证实，于是为伟大的量子力学也为同样伟大的这两位科学巨人奠定了地位和影响。17世纪末开始的关于光的本性是波动还是粒子的问题的争论延续了300余年，期间物理学史上几乎所有的伟大姓名都被镌刻在了这场战争的英雄榜上。量子理论的建立将这场争斗推向了决战的时刻。从德布罗意开始，这种矛盾似乎成了物理学的本质问题，而海森堡从-1-不连续性出发创立了他的矩阵力

5、学，薛定谔（ErwinSchrödinger,1887～1961）沿着另一条连续性的道路也发现了他的波动方程。这两种理论虽然被数学证明是同等的，但是其物理意义却引起了广泛的争论，波恩的概率解释更是把数百年来的决定论推上了怀疑的舞台，成为浪尖上的焦点。1.1.2哥本哈根解释1926年7月，玻恩.(MaxBorn，1882-1970)对薛定谔同年提出波动力学方程（即薛定谔方程）中的ψ的意义的问题提出了概率解释。1927年，一些想法在另外两位哥本哈根学派的物理学家脑海中形成。海森堡在1927.3.23的《物理学杂志》的文章中提出了不确定性原理（UncertaintyPrincipl

6、e）。而在1927于意大利Como举行的会议上，波尔在题为《量子公设和原子论的最近发展》的发言中首次提出互补性原理。概率解释、不确定性原理和互补性原理构成了哥本哈根解释的三大核心原理。概率解释认为，薛定谔的波动力学方程中的波函数ψ是一种统计，它的平方代表了粒子在某处出现的概率。这个解释否认了传统意义上的因果性在量子世界中的存在，认为量子世界的本质是随机性。当我们说“电子出现在x处”时，我们并不知道这个事件的“原因”是什么，它是一个完全随机的过程，没有因果关系。不确定性原理从矩阵力学的基本方程得出测量一对共轭量的极限：hΔΔ≥xt4π3最重要的两对共轭量是能量（E）/时间（T）

7、以及位置（q）/动量（p）。海森堡告诉我们，不可能同时精确测定电子的位置和动量，亦即，根据量子力学基本方程，像电子这样的东西不会同时具有精确的动量和精确的位置。不确定性原理限制了我们对微观事物认识的极限，而这个极限也就是具有物理意义的一切。最后，因为存在着观测者对于被观测物的不可避免的扰动，现在主体和客体世界必须被理解成一个不可分割的整体。没有一个孤立地存在于客观世界的“事物”（being），事实上一个纯粹的客观世界是没有的，任何事物都只有结合一个特定的观测手段，才谈得上具体意义。对象所表现出的形态，很