薛丁格的貓:一個量子力學的思想實驗 - Chad Orzel
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0:07 - 0:12奧地利物理學家薛丁格
是量子力學的創始人之一, -
0:12 - 0:15但最讓他出名的
其實是一件他從沒做過的事情: -
0:15 - 0:18一個關於貓的思想實驗。
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0:18 - 0:21他想像將一隻貓
放進一個密封的盒子中, -
0:21 - 0:27接下來的一小時內,
貓有50%的機率會被盒中的儀器殺死。 -
0:27 - 0:30一小時過去後,他問道:
"這隻貓現在是何種狀態呢?" -
0:30 - 0:34常識告訴我們,
這隻貓要麼活著,要麼死了。 -
0:34 - 0:37但是薛丁格指出,根據量子力學,
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0:37 - 0:39在盒子打開的那一刻之前,
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0:39 - 0:44這隻貓在同一時刻,既是死的也是活的;
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0:44 - 0:48只有在盒子被打開的那一刻,
我們才能看見單一固定的狀態。 -
0:48 - 0:52在那之前,貓的生死純粹是
模糊的概率問題。 -
0:52 - 0:54一半是死、一半是活。
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0:54 - 0:57這似乎很荒謬,
但這正是薛丁格想要指出的。 -
0:57 - 1:00他發現量子力學
在哲學上是如此令人煩惱, -
1:00 - 1:03以至於讓他徹底放棄了這個
他幫助建立起來的理論, -
1:03 - 1:05轉而投向生物學的研習。
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1:05 - 1:09儘管這個實驗聽上去很荒謬,
但薛丁格的貓卻十分真實。 -
1:09 - 1:11實際上,它甚為關鍵。
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1:11 - 1:14如果量子物體不能夠
以兩種狀態同時存在的話, -
1:14 - 1:19那你用來看這段影片的電腦
也就不會存在了。 -
1:19 - 1:21疊加的量子現象
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1:21 - 1:26是一切物質波粒二象性的結果,
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1:26 - 1:28一個物體要有波長,
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1:28 - 1:30就必須擴展空間範圍,
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1:30 - 1:34這就意味著它必須
同時佔據許多位置。 -
1:34 - 1:37物質的波長限制在很小的空間中,
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1:37 - 1:39不能明確定位,
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1:39 - 1:43所以它同時存在於許多不同的波長中。
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1:43 - 1:46我們在日常事物中無法看到這些波,
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1:46 - 1:50因為波長會隨著動量的增加而遞減。
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1:50 - 1:53而貓的體積相對較大、質量也較重,
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1:53 - 1:57如果我們將一個原子放大到太陽系大小,
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1:57 - 2:00那麼貓奔向物理學家時產生的波長,
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2:00 - 2:03才相當於太陽系裡的原子般大小。
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2:03 - 2:08因小到難以探測,所以
我們從未看到貓的波動性。 -
2:08 - 2:10然而,例如電子般的粒子,
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2:10 - 2:13卻是證明波粒二象性存在的證據。
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2:13 - 2:19如果我們把一個電子射向雙狹縫裝置,
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2:19 - 2:24電子另一側的位置馬上會被探測到,
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2:24 - 2:25就像粒子一樣。
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2:25 - 2:28但如果我們大量重複此實驗,
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2:28 - 2:30將每個檢測結果記錄下來,
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2:30 - 2:35你會發現它們的軌跡表現出波的特徵,
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2:35 - 2:37條紋區間內集聚了大量電子,
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2:37 - 2:40夾雜在沒有電子的區間之中。
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2:40 - 2:43一旦遮擋住一個狹縫,
條紋區間隨之消失, -
2:43 - 2:46顯示電子的集聚形態因為同一時刻
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2:46 - 2:49有兩個狹縫可供穿過的作用結果。
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2:49 - 2:53單個電子無法選擇通過哪個狹縫,
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2:53 - 2:56但是,電子束卻是同時通過兩個狹縫。
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2:56 - 3:00此種疊加狀態也使許多現代科技成真。
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3:00 - 3:05繞原子核旋轉的電子
存在於延伸出的似波軌道中, -
3:05 - 3:07當兩個原子相互靠近時,
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3:07 - 3:10電子不需要選擇原子軌道,
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3:10 - 3:12只需要共用軌道,
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3:12 - 3:15這就是一些化學鍵的形成方式。
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3:15 - 3:21一個分子中的電子並不是純粹
A原子或B原子所擁有,而是兩者共有。 -
3:21 - 3:24如果你加入更多原子,
電子們就會分布得更加分散, -
3:24 - 3:27同時被許多個原子所共用,
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3:27 - 3:31固體中的電子並非固定在某個原子上,
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3:31 - 3:35而是在一個較大空間中延展開,
被不同的原子所共用。 -
3:35 - 3:38這種巨大的疊加狀態,
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3:38 - 3:42決定了原子構成物質的形式,
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3:42 - 3:46可能是導體、絕緣體或半導體。
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3:46 - 3:48理解電子是如何被原子所共用,
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3:48 - 3:52能夠讓我們得以精確控制半導體的性質,
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3:52 - 3:54例如矽半導體。
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3:54 - 3:56將不同的半導體以正確的形式合成,
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3:56 - 4:00使讓我們製造作出極小的電晶體,
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4:00 - 4:02在一小片電腦晶片上
就有上百萬個電晶體。 -
4:02 - 4:04而那些晶片,以及其中流動的電子,
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4:04 - 4:07使你用來觀看此短片的電腦得以運作。
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4:07 - 4:12有個老套的笑話:
因網路的存在,
讓人們得以分享貓咪影片。 -
4:12 - 4:15然而從一個很深刻的層次來說:
網路的存在, -
4:15 - 4:19恰恰是源於一個奧地利物理學家
和他想像出來的貓。
- Title:
- 薛丁格的貓:一個量子力學的思想實驗 - Chad Orzel
- Speaker:
- Chad Orzel
- Description:
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觀看完整課程: http://ed.ted.com/lessons/schrodinger-s-cat-a-thought-experiment-in-quantum-mechanics-chad-orzel
奧地利物理學家厄溫薛丁格是量子力學創始人之一。他提出一個著名問題:如果你將一隻貓放進一個密封的盒子中,接下來的一小時內,這只貓有50%的機率會被盒中的裝置殺死,那麼一小時後,這隻貓將處於何種狀態呢?Chad Orzel 與我們一起探討這個思想實驗。
課程設計:Chad Orzel 動畫製作:Agota Vegso
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TED-Ed
- Duration:
- 04:38
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