Some interesting thought experiments

光箱实验

1930年第六届索尔维会议上，爱因斯坦提出了一个思想实验：假象有一个箱子，箱子中有若干光子，箱子上有一道可以控制的快门。控制快门打开很短的一段时间$\Delta t$，有一些光子通过快门去到箱子外面，这时用精确的秤测量光箱体系质量的减少为$\Delta m$，根据质能方程

                                  $\Delta E=\Delta mc^{2}$

可以精确计算出光箱体系的能量减少$\Delta E$，同时$\Delta t$又是可控的，因此时间和能量的不确定性都为零，海森堡的不确定性关系就不能得到保障。 对此，玻尔给出了完美的解释：爱因斯坦忽略的问题在于如何精确测量光箱体系质量的减少。如果是在引力场中使用弹簧秤来测量，则在测量时光箱必定会有位移，光箱中的光子在引力场中的位移会产生广义相对论的引力红移现象，导致光子频率的改变（也就是周期的改变），这样就引起了能量和时间上的不确定性，经过计算，这恰好满足海森堡不确定性关系。

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EPR佯谬

1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在Physics Review上发表了一篇题为《Can Quantum-Mechanical Description of Physics Reality Be Considered Complete？》的论文，质疑了量子力学体系的不完备性，由于这个论述已经被证伪，因此现在被称为EPR佯谬。

这篇论文基于定域实在性，首先给出了两个严格的定义，定义了完备性和物理实在要素。然后给出了一个思想实验，假象一个静止的大粒子分裂成两个小粒子，向相反的方向运动，由于守恒律，它们的坐标，动量必定互为相反，因此对一个小粒子动量或位置的测量（由于定域性这并不会影响到另一个小粒子）就可以预测另一个小粒子的物理状态，因此小粒子的动量和位置都是物理实在要素。但是由于不确定性关系，二者不能同时准确测量，也就是说并不是每一个物理实在要素在量子体系中都有对应的部分，也就是量子体系是不完备的。爱因斯坦认为，量子体系的不完备性在于还有一些未被察觉到的变量，即隐变量在控制，而找到这些隐变量就可以消除量子力学中的随机性而恢复完全的因果性关系。

1951年，波姆提出了EPR佯谬的另一个版本（又称EPRB佯谬），即想象一个大的粒子，分裂成两个有自旋的小粒子，由于守恒律，二者的自旋必须相反，在观测之前，两个小粒子都处在自旋为↑和自旋为↓的叠加态，当这两个小粒子相距很远的时候，对其中一个粒子的自旋进行观测，发生了坍缩，而另一个粒子必然坍缩成为相反的自旋态，在这之间必定传递了某种信息，而由于二者坍缩发生在同一时间，因此这产生了一种超过光速的信息传递，违背了定域性原理。

对此，哥本哈根学派给出的解释是：在坍缩之前，两个小粒子是一个系统，一个整体，二者的自旋、位置等在坍缩前是无意义的，二者作为一个整体，坍缩成↑↓或↓↑某一个定态，在这之后，粒子才具有了实在性，才成为两个系统，因此这个过程中不存在信息的传递。

这也体现了库恩范式的不可通约性：在爱因斯坦看来，两个小粒子是两个体系，具有定域实在性，之间存在信息传递；而哥本哈根学派认为两个小粒子在观测之前没有实在性，是一个整体，不存在信息传递，由于不可通约性，想说服不同科学共同体的科学家是相当困难的事，因此直到爱因斯坦离世，海森堡等人都没能说服他。

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薛定谔的猫

1935年，薛定谔在与爱因斯坦等人讨论ERP问题时逐渐产生了把原子尺度上的叠加态转移到宏观系统中的想法。最初他的设想是一种不稳定的火药处于爆炸与不爆炸的叠加态。最终，经过加工，他设计出一个思想实验：把一只猫关在一个封闭的容器中，并在容器中装有以下装置：一个盖革计数器中放有一个放射性物质原子，若衰变事件发生，则盖革计数器发出电信号，通过一系列装置打破装有氰化物的瓶子，猫被毒死，若没有发生衰变，则猫依然存活。由于单原子的衰变过程按照哥本哈根解释是由波函数描述的叠加态，因此在打开容器之前，猫也处于死亡/活着的叠加态。

这一思想实验的巧妙之处在于将微观粒子的叠加态映射到宏观系统中，制造一种“荒谬感”，但是出现这一“荒谬”的根本原因在于不同科学共同体之间对“观测”一词赋予了不同的涵义，哥本哈根学派认为外界对体系由干扰，有相互作用即为观测，因此，在盖革计数器对粒子是否衰变做出反应时，就认为粒子已经被观测了，因此容器中已经出现了坍缩，也自然不会出现死/活叠加的状态。

其它解释

根据20世纪末的一次调查，哥本哈根解释仍然是支持率最高的量子力学解释，并且由于退相干理论的发展，多世界解释（Many World Interpretation，简称MWI）逐渐获得了一部分人的支持。这一解释假定有无数平行宇宙，每对一个量子态进行观测，就会分裂出多个平行宇宙，每个平行宇宙中都是一个可能的状态，而我们只处于某一个宇宙当中，且我们不可能得知其他宇宙中的状态。

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