定时电影
这个汤姆逊灯实验是麻省理工学院的詹姆斯·汤姆逊教授在1954提出的。他想象了一盏灯,它的开关由一个复杂的计时器控制。实验开始时,灯亮了整整60秒。60秒结束时,计时器会关闭灯并熄灭30秒。之后开灯15秒,然后关灯7.5秒,再开灯3.75秒.....那又怎样?开放?用什么?接近?循环继续,灯打开(或关闭)n秒,然后关闭(或打开)n/2秒。
现在考虑与120秒(2分钟)结束时灯的状态相关的两个问题:
(1)灯开了又关了多少次?
(2)这时候灯是亮着还是关着?
首先,经典的解释
第一个问题的答案令人惊讶。如果我们使用不断增加的时间值序列来表示灯的这些持续状态,那么我们将得到一个没有终点的序列:
60s,30s,15s,7.5s,3.75s,1.85s
换句话说,这个序列是无限的,所以当120秒(两分钟)结束时,灯被无限多次打开和关闭。这个实验在数学上没有不合理的地方。因为时间值的无限序列之和是有限的:它无限逼近120秒,不仅仅是到达,而是这个实验的某个地方隐藏着谬误?
第二个问题,两分钟结束时灯是亮着还是关着?似乎我们正面临着一个矛盾,或者至少是不正常的事情。这个灯不能开,因为每次开一会儿,然后就关一会儿,所以呢?光明?不是灯的最终状态;但是同样的,灯也灭不了,因为灯一会关一会开,所以呢?熄灭?也不是灯的最终状态。
这个推理真的让我们得出了一个无法接受的结论:灯既不亮也不灭。
汤姆森认为这才是这个实验真正的荒谬之处。所以连汤姆森自己都不相信这盏灯真的存在。
然而,我们不必承认上述结论。上面说的时间序列60,30,15,7.5,3.75,1.85之和不完全等于120。换句话说,这个序列的和无限接近120秒,并不完全等于120秒。换句话说,两分钟结束的点不是计时器控制序列的成员。在无限的时间序列中,我们永远不可能到达光正好在120秒结束的那一点。
换句话说,我们不必认为灯既不亮也不灭。准确地说,问题(2)的确切答案应该是?我们无法预测?。
这个解释显然令人失望。我们的感觉是,问题不是解决了,而是回避了。毕竟一盏灯的状态在任何时候都只能有一种状态,而不是无限多种状态或者不确定状态。从哪里?无限?我们永远不会知道灯是亮着还是关着,因为最后一个开或关的动作永远不会存在。
量子层次解释
说一盏灯既不亮也不灭,显然是一个荒谬的悖论。有学者认为,可以借助量子的叠加态找到答案。
如果从量子物理的层面来看汤姆逊灯的问题,会发现这个问题不再是一个悖论,而是量子力学的一个问题?精彩?性能:
可以在宏观水平上有效地观察灯的初始开关。随着灯的两种状态之间的切换时间越来越短,逐渐进入难以有效观察的微观层面。随着更短时间间隔的不断演化,最终时间会进入一个量子态,而一旦进入量子态,就会呈现出许多与经典物理完全不同的现象,其中之一就是量子的叠加态,即此时的光处于开和关两种叠加态。
这种量子叠加态最著名的思想实验之一就是薛定谔的猫实验。它是由奥地利物理学家欧文·薛定谔在1935年提出的。在封闭的量子世界里,被放在有毒气的箱子里?猫?在生死叠加的某一瞬间。也就是说,?猫?是生是死,两种状态其中一种的概率是50%。
量子的这种叠加态最初让许多物理学家感到困惑,但这种不可思议的量子态(俗称薛定谔猫态)近年来在实验室中不断得到证实。比如著名的电子双缝干涉实验,证明了量子叠加态在量子理论中是准确的。
在量子力学的思维层面下,汤姆逊灯的实验被重置为:假设一盏灯被封闭在一个封闭的黑盒子里(灯的开和关是无法观察到的),外面有一个超级时间触摸开关来控制灯的开和关。让这个灯亮60秒,然后关30秒,再开15秒........................................................................................................................................问:当时间到达120秒时,这个灯是亮着还是关着?
在不到2分钟的宏观周期内,虽然我们无法观察到灯是亮着还是关着,但是通过精确的数学计算,我们可以知道灯处于哪种状态。
而当时间非常接近2分钟时,根据薛定谔定律,这盏灯是在黑盒里吗?光明?然后呢。熄灭?的叠加状态。如果打开黑匣子进行观测的时间正好等于2分钟,这个量子叠加态会立刻坍缩到唯一确定的结果:灯要么开,要么关,两种状态的概率都是50%。