Re: [問題] 可以為我說個故事嗎

看板Physics作者pipidog (如果狗狗飛上天)時間11年前 (2014/07/24 03:59)推噓19(19推 0噓 24→)

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又被這種問題釣出來了 >"< 我來談一下關於這類問題長期以來被誤傳的一種"謬誤"! 這類問題常見的有兩個著名的"詭論",分別是愛因斯坦的月亮,以及薛丁格的貓. 這兩個都是著名的關於態塌縮的質疑.愛因斯坦問,當你不看月亮的時候,月亮就不在那嗎? 薛丁格問,當你不打開箱子時,貓會是半死不活的嗎? 有時候初學量子力學的人來問這類問題,我都會敷衍一下,告訴它們以後你們就知道答案了(因為講太多只是讓學生更亂),但如果是老鳥來問,我通常都明白的說這兩個問題問的不對,因為這是兩個誤導性的問題! 或許是因為那個時代對量子力學的認識不夠深刻,也或許是那個小愛跟小薛想刻意強調塌縮過程的神秘性,所以問了兩個誤導性的問題. 有人問,誤導在哪? 他們兩個大師問的問題如果錯了,難道我這鄉民會對? 且聽我慢慢說來,看你能否被我說服. 首先我把這問題分兩部分. 1. 為什麼它們的問題充滿誤導性? 2. 那什麼才是正確的問題? 把這兩點講清楚之後,態塌縮其實就沒這麼神秘了. // =============================================================== 先講第一點,為什麼它們的問題充滿誤導性? 其實月亮說也好,貓說也罷,它們都涉及了一種想像: 態塌縮的過程全部源於觀測者的主觀意志,而非客觀條件. 例如,你不看月亮那月亮在哪嗎? 言下之意,只要我不抬頭看,月亮可能就不在那了 ,就算你抬頭了,他抬頭了,只要我不抬頭,在我的世界裡,月亮可能就不在哪. 貓說也是,我不開箱子,貓可能永遠半死半活,但我開了箱子,貓可能就掛了.所以只要我不開箱子,貓也許可以長命百歲,永遠都不用死了? 上面兩說,的特色都是: 將客觀的物理現象和主觀的觀測者意志做了連結. 但是認知這件事情是主觀的,我認知不代表你認知,只要我不進行認知,態塌縮在我的世界裡就不會發生,只在你的世界裡才發生.這種問題合理嗎? 完全不合理! 作為凸顯微觀到宏觀過程的不瞭解,這兩個問題都做到了,但作為詮釋態塌縮,這兩個問題徹底誤導了後來整整半個世紀的物理系學生. 這問題在於, 任何物理現象,包括態塌縮,都是客觀現象,不是主觀現象! 也就是說,態塌縮不因你認知與否而發生,塌縮了就是塌縮了,你知不知道那是你家的事情. 所以貓死了就死了,不會因為你不開箱子他就還剩半條命. 同樣的,今天是月圓就是月圓了,不會因為你忍著不看,就把別人的月圓變成你的月缺了! //======================================================================= 那正確的問題應該是什麼? 問題的答案往往來自於另一個問題,因此要釐清這個問題,我們得找另一個問題來回答.回答這問題的主角也很妙,不是月亮,也不是貓,而是一隻幽靈! 作為一個凝態物理學家,我比較偏好我喜歡用統計力學,用熱力學來回答各種物理問題,因為我總覺得這些現象很具體,不需要太多想像,生活處處可見. (所以之前寫過一篇光速與熱力學的關係的文章,有興趣者可爬文) 這裡我也用熱力學來說明問題. 1871年的時候,Maxwell假想了一個幽靈,這個幽靈處在兩個封閉的空腔中間,兩空腔的中間有一扇門,幽靈要做的事情就是當看到速度快的氣體分子衝過來時把門打開,讓它進入另一個空腔,看到慢速分子時,則把門關上.Maxwell的美好盤算是, 這個幽靈很小,非常小,小到他做開關門這個動作所需要的能量非常低,幾乎接近0, 因此開關門這個動作所做的功幾乎可以忽略.所以只要給他足夠長的時間,最終這個幽靈就可以讓一個房間熱而另一個房間冷.熱力學第二定律就此被打破了! 那麼只要我們能造出這個幽靈,這世上將有取之不盡用之不竭的能源,多美好的故事! 然而,現實往往比想像來的殘酷,這隻幽靈在1950年代被IBM的Shannon給活活掐死了! Shannon只問了一個簡單的問題,幽靈怎麼判斷分子的速度? 答案是它必須進行測量!那怎麼怎測量? 方法很多,例如打個紅外線測都普勒效應,例如土法煉鋼, 射一堆光子過去,看光子的反射然後用肉眼估計dx/dt,方法很多,但不管用哪種方法,你總得讓某個物理系統(測量儀器)跟氣體分子產生交互作用,然後透過交互作用產生的一些物理現象來獲得資訊. 然而無論你如何的改善你的實驗儀器,只要有交互作用且自發了一些物理現象,這些過程肯定是會產生熵增的. 因此即便幽靈開門的動作不做工,不熵增,但是測量的過程總是要產生熵的,補上這些因測量而產生的熵,最後系統總的熵還是增加的. 用熱力學的語言來說,你獲得的資訊叫自由能F,你輸入的功叫U,兩邊空腔的壓力不對稱會產生負熵能PV,測量過程產生的正熵能-TS,所以會有自由能的公式 F=U-TS+PV, Maxwell的問題就在於,他認為TS的產生只源於幽靈開關門的動作,只要這個動作產生的熵能夠被逼近到無窮小,那麼靠著PV不斷增加,我們就有機會得出一個"自由能F > 內能U"的荒謬結論.能源取之不盡,多好! 殊不知,TS的來源不僅僅是開關門的動作而已,還包括測量本身: "測量"指的是一種透過交互作用,產生熵增現象而獲取資訊的非平衡態熱力學過程! (更精確的說,是透過全域的熵增創造局域的負熵態的過程,不過負熵是另一個大主題了,故此處略去1000字) // ==================================================================== 那麼回到月亮說跟貓說的問題上來,小愛跟小薛為什麼具有誤導性? 因為他們在談測量這件事情的時候,都在談觀測者主觀的"感知",而沒談到"感知"這件事情會伴隨著一個客觀的代價,叫做"熵增"! 也就是說,你要怎麼知道死貓還是活貓? 你要測量! 測量該怎麼進行? 你得拿一個物理系統跟另一個物理系統交互作用,交互作用的結果會產生自發的物理現象,一個自發的物理現象必然伴隨著熵增,透過測量這個物理現象,你會獲得資訊.換言之態塌縮是伴隨著熵增產生的. 你永遠不可能在不產生熵增的條件下產生態塌縮! 所以你不抬頭看月亮那是你家的事,太陽光照在月球表面上,月球反射了太陽光到地球來的當下,月球早就因為和太陽發射出來的光子產生交互作用,增加了熵,而已經塌縮了!至於你要不要抬頭看,那根本一點都不重要了,因為熵增是一件客觀的物理現象,你看也好,不看也罷,塌不塌縮跟你沒半毛錢關係. 塌到哪,也跟你沾不上邊. 只要熵是這樣增加,大家看到的月亮都會一樣! 如果硬要講,你頂多也就是讓飛到你眼睛的那顆光子塌縮了,跟月亮根本沒關係. 同樣的我們可以用簡單電子的雙狹縫實驗來解釋複雜的,涉及宏觀問題的貓態.當我不在狹縫上裝感測器(不測量貓態)時,電子是平面波,是兩個狹縫的混合態(貓是死活的混合態).當我在狹縫上裝了感測器之後,電子就塌縮成左狹縫態或右狹縫態(死貓或活貓態),干涉條紋就消失了. 請問,這個干涉條紋的消失是直到你看了那張記錄條紋的底片才決定的嗎? 當然也不是,當你裝下感測器的當下,感測器與電子產生了交互作用,產生了熵增,態就已經塌縮了,和你看不看那張底片根本沒半毛錢關係.貓態也是,在你架好儀器測量貓態的當下就塌縮了,你讀不讀data一點也不重要.因此我們真正不了解的,並不是你讀data這件事情跟塌縮有什麼關係,而是一個系統跟另一個系統複雜的交互作用的非平衡態熱力學過程如何讓一個系統從混合態,慢慢的退相干變成了某個特定的本徵態了. // ================================================================== 談了這麼多,其實我想說的是,貓說也好,月亮說也罷,它們都是對量子力學的錯誤問題.是小愛小薛在那個年代不了解問題的核心,還是因為它們想戲劇化的凸顯微觀到宏觀的矛盾我就不得而知. 我想強調的是,態塌縮是一個跟熵增密不可分的現象,態塌縮固然神秘,但是熵增卻是一個客觀的事實.這個事實跟觀測者想不想知道一點關係都沒有.而是一個系統A跟另一個系統B進行交互作用,產生熵增現象的當下就已經決定態是如何塌縮了. 所以關於態塌縮,正確的問題應該是: 究竟測量儀器跟被測量系統間的交互作用,糾纏,量子退相干的熱力學過程為何? 而不該是對於"認知"與"塌縮"如何聯繫提出疑問.因為認知(你去讀data)根本不是導致態塌縮的原因,測量的儀器跟被測系統間的非平衡態熱力學過程才是! 當然現下很多對於量子退相干的理論,真要說可能幾天幾夜都說不完,我不是這方面的專家,實在也不敢多談,但僅僅是能夠指出月亮說與貓說的誤導性,讓初學者能夠清楚的了解到,態塌縮是個實實在在的客觀物理現象,不依賴於主觀觀察者的意志,我想這篇文章的目的就達到了. *BTW,如果還是有疑問的人,建議可以去看看Maddox的"科學並未終結".科普書, 裡面也清楚的說明了,薛丁格貓態其實是個問不對的問題.建議有興趣的人可以看看. -- ★人生中最溫暖的夏天是在紐約的冬天★ -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 128.120.169.71 ※ 文章網址: http://www.ptt.cc/bbs/Physics/M.1406145560.A.9A8.html ※ 編輯: pipidog (128.120.169.71), 07/24/2014 06:44:21

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