Re: [問題] 可以為我說個故事嗎

[pipidog (如果狗狗飛上天)]

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.

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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!

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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)

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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.

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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.
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★人生中最溫暖的夏天是在紐約的冬天★

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※ 編輯: pipidog (128.120.169.71), 07/24/2014 06:44:21
推 mcan:推清楚!
推 paopaotw:我對 測量 和 交互作用 之間的關係有點疑惑..電子干涉那
→ paopaotw:個後面還有一個延伸的討論 就是用光子追蹤電子的路徑 也
→ paopaotw:是說因為光子會改變電子的動量..但這說法很多人都不認同
→ paopaotw:現在我有點混淆了>< 光子影響電子動量這說法不就是因為測
→ paopaotw:量造成的交互作用嗎?
推 f34150:感謝  概念又更清楚了~
推 recorriendo:愛因斯坦和薛丁隔代出來的問題是"什麼事測量"
→ recorriendo:乃因哥本哈根詮釋完全沒有說明何謂測量 就當時的物理
→ recorriendo:背景而言測量給人一般的感覺就是帶有主觀成份 所以愛
→ recorriendo:因斯坦和薛丁格才問：難道一定要有這種帶有主觀成份的
→ recorriendo:過程 才會讓剝函數塌陷嗎 正是因為這個結論是荒謬的
→ recorriendo:才會被他們當作反駁量子力學的論據 而發展測量理論 賦
→ recorriendo:與"測量"客觀意義是後來的事了 算是後人為了解消這個
→ recorriendo:難題所作的努力 說這個難題有誤導性其實事後見之明
→ recorriendo:不能因為我們有測量理論就說這問題不重要 因為測量理
→ recorriendo:論就是因為這個問題而開始發展的
推 pleasetoyou:不懂態塌縮
→ pleasetoyou:不抬頭看月亮，低頭看鏡子反射月亮
→ pleasetoyou:還是看到月亮
→ pleasetoyou:所以測量得到虛像？？？
→ pleasetoyou:不知道對不對
推 pleasetoyou:由上述，最簡單說，看得到鏡反射像
推 pleasetoyou:這也算是增熵
推 Frobenius:讚
推 WINDHEAD:我上次好像在推文裏面問測不准原理有沒有熱力學的詮釋XD
→ wohtp:測不準原理跟熱力學？好像很難變出來。
推 harrey810719:好文推
→ wohtp:測不準原理是基於波動性質。而量子力學跟熱力學最大的不同就
→ wohtp:是一個有干涉一個沒有...
推 recorriendo:其實一個更基本的問題是 量子力學不遵守古典機率原理
→ recorriendo:跟統計力學根本是完全不同的世界啊
→ wohtp:不過把時間軸轉一下，兩邊的partition function就一樣了...
推 sopare:我也能說 測得的資料在你真的去看資料時才態塌縮啊
→ sopare:也就是沒有主觀的觀測者去看之前 整個客觀世界都還未退相干
推 tsongs:很清楚的比喻
推 alamabarry:好哲學的感覺 看一半先推 之後再來慢慢看
推 p112233:專業
推 eldar:推好文  推資訊和熵增
推 laertes:小愛..........................................
→ laertes:對不起我亂入...我思想好崩壞.................
推 nescient: 寫的真好~~~釐清很多觀念!!物理就是物理不是哲學阿~~
推 jameskey: 推