我不赞同“女神表白”的比喻。因为你在表白之前,女神她就知道是喜欢你还是不喜欢你,只是你不知道。当然,ls 举了例子里说明了她不知道。其实“她也不知道喜欢不喜欢你“这点很重要,就是说,猫的死活在测量前是不确定的,但是一旦测量就确定了,注意“测量”这个动作。

量子力学刚传入中国的时候有人说很“唯心”,因为虽然你不知道猫的死活,但是猫自己知道啊,你打个电话问猫或者开个小洞问猫都可以啊。其实这种理解是不正确的,猫也不知道自己的死活,它处于半死半活的状态,这种状态是客观存在的。

「薛定谔的猫」和「对美女表白」还不一样插图

我常用这么一个比喻,一个量子态,例如薛定谔的猫就像一个色子(上图那个色子,不是玻色子那个色子),它的确客观存在,并且有 6 面,倒是如果有人问:色子的值是多少?我只能说,我不知道,因为只有掷出来我才知道我。这里掷,相当于把猫的盒子打开,就是所谓的“测量”。就像 Sheldon 对 Penny 说的”你不试你就不知道“。但是你每次掷的值不一样,直觉得说,你有六分之一的机会得到 1,六分之一的到 2……所以你问我色子的“测量值”是多少,物理学家会说是 3.5,因为是 1~6 的平均(那啥,123456 的平均值不是 3……)。但是你不会掷到 3.5,而且掷了无穷多次发现平均值是 3.5(我会接下来给大家推倒出来,尽量不需要物理基础),所以物理学家用期望值或者说是平均值来表示量子态的某个物理量,所以薛定谔的猫的是半死半活的,但是你一旦打开或者测量,那么一万次里有五千次是活的,另外五千次是死的,而且你不能预测,只能给出概率。

解释:就是甩 6 次,一样甩到 1 次,所以就是 123456,点数的平均值是 3.5……因为甩到 6 个面概率一样……

这里量子态有几个特征:

1. 客观以混合态存在,就像色子六个面,注意,客观存在,而且客观不确定是处于哪个态,猫在打开盒子前处于半死半活的状态,不是死也不是活;

2. 如果不测量,你无法知道它的值,这里”测量“是很重要的一个东西。不去掷色子,你无法知道值,你不打开盒子,你不知道猫死活,但是一旦打开了,你就知道死活了;

3. 宏观上态以平均值来表示它的测量值,或者说无数次测量得到的平均值。如果你要问猫是死是活,物理学家表示,它是 0.5 活着。(其实就是半死半活)

4. 量子态是一个几率分布,它只能预测几率,但是不能预测什么时候会在那个态,你只能说猫有一半几率死一半几率活,但是你永远没法预测下一次打开是活的还是死的。

=== 分割线, 欢迎女神止步 ===

为了体现专业,那我们拽点公式吧,回到色子的例子,刚才说了你有六分之一几率掷到 1-6,量子力学喜欢用|态> 来表示一个态,然后“掷”这个动词我们用 Zhi 来表示,Zhi 叫做算符,一定要注意算符不是一个值。我用|1>来表示正面是 1 的状态,我们把|1>叫做本征态,1 叫做本征值,你可以理解成一个色子,但是每个面都是 1,本征态的特点是你测量这个量,总是能得到他的本征值(也就是说,这种态,处于“|死猫>”状态的猫肯定是死的,|活猫>状态的猫肯定是活的)那么对于|1>来说,你可以想象成一个色子,6 各面全是 1,当然怎么扔都扔出 1 来,所以对于这样的变态色子

Zhi|1>=1|1>

这个意思就是,你怎么掷这个|1>色子,都得到的是个 1.对于|2>~|6>来说也一样

一个色子由六个本征态组成,见上面量子态特征(1)

|色子>=a|1>+b|2>+c|3>+d|4>+e|5>+f|6>

这里 abcd 是系数它的平方值是它的本征态出现的概率(这是哥本哈根派的解释),刚才说了,1-6 都有 1/6 的几率,所以 a=b=c=d=e=f=1/sqrt(6), sqrt 就是根号的意思。

所以我们可以用

|色子>=1/sqrt(6)(|1>+|2>+|3>+|4>+|5>+|6>)表示, 或者|薛定谔的猫>=1/sqrt(2) (|死猫>+|活猫>)

现在我们有了色子的表达式,我们准备扔了,

Zhi|色子>=Zhi(a(|1>+|2>+|3>+|4>+|5>+|6>))

=a(Zhi|1>+Zhi|2>+Zhi|3>+Zhi|4>+Zhi|5>)

=a(1*|1>+2*|2>+3*|3>+4*|4>+5*|5>), 用 a 来表示根号六分之一。

然后呢?量子态这个东西没有物理意义,只是个名字,真正有物理意义的是测量值(比如量子态的位置,动量),这个测量值从宏观上说就是平均值。我们来求一下这个“掷”这个动作的测量值,不过先透露一下,答案已经提到过。

量子态有个前提就是归一,因为态是一个几率分布(就像你 1/6 的几率扔到 1-6,然后几率的总和是 1 对吧?),表示就是”<态|态>=1″, 其实就是”<态| * |态> = 1″, 这个”<态| “是 “|态>”的共轭,在实空间里是两个是一样的,如果学过复数的话(虽然提问的人要求数学不高),就是 a+ib 和 a-ib 的关系。

另外一个前提是本征态正交, <1|2>=0, 也就是说,一个全是 2 的色子永远扔不出 1。

所以我们把上面那个公式乘以<色子|

<色子|Zhi|色子>

=a(<1|+<2|+<3|+<4|+<5|+<6|)*a(1*|1>+2*|2>+3*|3>+4*|4>+5*|5>+6*|6>))

=a*a(1*<1|1>+2*<2|2>+3*<3|3>+4*<4|4>+5*<5|5>+6*<6|6>)

=a*a(1+2+3+4+5+6)

=1/sqrt(6)*(1/sqrt(6))(1+2+3+4+5+6)

=1/6*(1+2+3+4+5+6)

=3.5

这个数字很熟悉对么?没错,这就是从宏观上测量一个量子态得到的期望值。

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