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让公众理解科学
发布时间:2013-9-16 14:49:19  |  点击次数:2527   
    网上看到上海科协发起主办的“解读科学诺贝尔奖”科普报告会,颇有新意。首场诺贝尔物理学奖科普报告会是从量子力学那只薛定谔猫讲起,对2012年诺贝尔物理学奖进行了解读。
    量子世界有很多奇异的特征在常识看来是难以理解的,薛定谔猫这个上世纪30年代构想出来的思想实验,被后人引为解释量子世界的经典。一只猫被关在黑箱子里,它的生死取决于箱子里一个独立放射性原子的状态,如果原子衰变,则引发箱内毒气泄漏,猫死;反之,猫活。箱内原子发生衰变的概率是50%,量子理论认为,单个原子的状态并非“非此即彼”,或者说,箱子里的原子处于既衰变又没有衰变的状态,对应到猫,则是既活又不活。
    按哥本哈根学派的说法,在没有实际观测之前,原子处于各种可能状态的叠加,这决定了猫同样处于活与不活的叠加态,只有打开箱子的一瞬间,才确切知道原子的状态和猫的死活,此时猫的波函数由叠加态塌缩到一个本征态。这与日常经验严重不符,在宏观世界里,即时不打开箱子,猫也只能是或死或活。
    量子世界的这一特征,被解释为观测主体的行为决定观测结果。譬如,观测电子要用一定频率的光,光照射电子必然会改变电子的状态,如果要减少光对电子的干扰,就必须减少光的能量,这样又增大了光的波长,由于波的衍射现象,又模糊了对电子的观测。法国物理学家塞尔日.阿罗什(Serge Haroche)美国物理学家戴维.维因兰德(David Wineland)的研究成果,颠覆了量子理论的这样一种观念:除非进行观测,否则一切都是不真实的。
阿罗什和维因兰德因为粒子控制研究荣获2012年诺贝尔物理学奖,实现了在不破坏粒子的前提下对其直接观测,通过巧妙的实验方法完成了对粒子的计算和控制,告诉人们,不必损毁粒子个体就可以直接观测它们,在不必打开箱子时,就可以知道猫的死活。
    两位物理学家的研究成果非同小可,在哲学意义上,它质疑了哥本哈根学派的量子解释:观测主体与观测对象不可分割,又回归到爱因斯坦的信念:存在一个独立于观测主体的外部世界;在应用前景上,它为建造超快量子计算机和极端精准时钟奠定了基础,提高了对外部世界的认识和控制能力。
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