薛定谔巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来,以此求证观测介入时量子的存在形式。随着量子物理学的发展,薛定谔的猫还延伸出了平行宇宙等物理问题和哲学争议。

薛定谔的猫的基本概念

“薛定谔的猫”是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的著名思想实验,是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演。这里必须要认识量子行为的一个现象:观测。微观物质有不同的存在形式,即粒子和波。通常,微观物质以波的叠加混沌态存在;一旦观测后,它们立刻选择成为粒子。实验是这样的:在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者观测时,物质以粒子形式表现后才能确定。这项实验旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解,可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。

薛定谔的猫本身是一个假设的概念,随着技术的发展,人们在光子、原子、分子中实现了薛定谔猫态,甚至已经开始尝试用病毒来制备薛定谔猫态,如刘慈欣《球状闪电》中变成量子态的人,人们已经越来越接近实现生命体的薛定谔猫 。可是另外一方面,人们发现薛定谔猫态(量子叠加态)本身就在生命过程中存在着,且是生物生存不可缺少的。

薛定谔的猫的思想实验

薛定谔的猫(Schrödinger's Cat)是关于量子理论的一个思想实验。

尽管量子论的诞生已经过了一个世纪,其辉煌鼎盛与繁荣也过了半个世纪。量子理论曾经引起的困惑直到21世纪仍困惑着人们。正如玻尔的名言:“谁要是第一次听到量子理论时没有发火,那他一定没听懂。”薛定谔的猫是诸多量子困惑中有代表性的一个。一只猫被封在一个密室里,密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子,锤子由一个电子开关控制,电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变,则放出阿尔法粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,释放出里面的氰化物气体,猫必死无疑。原子核的衰变是随机事件,物理学家所能精确知道的只是半衰期——衰变一半所需要的时间。如果一种放射性元素的半衰期是一天,则过一天,该元素就少了一半,再过一天,就少了剩下的一半。物理学家却无法知道,它在什么时候衰变,上午,还是下午。当然,物理学家知道它在上午或下午衰变的几率——也就是猫在上午或者下午死亡的几率。如果我们不揭开密室的盖子,根据我们在日常生活中的经验,可以认定,猫或者死,或者活。这是它的两种本征态。如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫,则只能说,它处于一种活与不活的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间,才能确切地知道猫是死是活。此时,猫构成的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。量子理论认为:如果没有揭开盖子,进行观察,我们永远也不知道猫是死是活,它将永远处于半死不活的叠加态,可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。

薛定谔挖苦说:按照量子力学的解释,箱中之猫处于“死-活叠加态”——既死了又活着!要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。(请注意!不是发现而是决定,仅仅看一眼就足以致命!)正像哈姆雷特王子(引用自莎士比亚的名言)所说:“生存还是死亡,这是一个问题。”只有当你打开盒子的时候,叠加态突然结束(在数学术语就是“波函数坍缩(collapse)”),哈姆雷特王子的犹豫才终于结束,我们知道了猫的确定态:死,或者活。哥本哈根的几率诠释的优点:只出现一个结果,这与我们观测到的结果相符合。有一个大的问题:它要求波函数突然坍缩,可物理学中没有一个公式能够描述这种坍缩。尽管如此,长期以来物理学家们出于或许实用主义的考虑,还是接受了哥本哈根的诠释。付出的代价:违反了薛定谔方程。这就难怪薛定谔一直耿耿于怀了。

薛定谔尝试着用一个理想实验来检验量子理论隐含的不确定之处。

设想在一个封闭的匣子里,有一只活猫及一瓶毒药。当衰变发生时,药瓶被打破,猫将被毒死。按照常识,猫可能死了也可能还活着。量子力学告诉我们,存在一个中间态,猫既不死也不活,直到进行观察看看发生了什么。

量子力学告诉我们:除非进行观测,否则一切都不是确定的,可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。爱因斯坦和少数非主流派物理学家拒绝接受由波尔及其同事创立的理论结果。爱因斯坦认为,量子力学只不过是对原子及亚原子粒子行为的一个合理的描述,这是一种唯象理论,它本身不是终极真理。他说过一句名言:“‘上帝’不会掷骰子。”他不承认薛定谔的猫的非本征态之说,认为一定有一个内在的机制组成了事物的真实本性。爱因斯坦花了数年时间企图设计一个实验来检验这种内在真实性是否确在起作用,但没有完成这种设计就去世了。

薛定谔的猫的影响及意义

量子力学作为20世纪最有突破的科学成就之一,也是最具争议的科学之一。“薛定谔的猫”很好的阐述了这一现状。人们不能接受量子力学是因为它的不确定性。对于传统的物理学来说,只要找到了事物之间相关的联系,就能在每时每刻确定,事物之间相关的物理数据,比如说,物体运行距离等于物体的速度乘以物体运行的时间,只要知道物体的速度,你每时每刻都能计算出物体运行了多远,然而海森堡提出的量子不确定性原理使得你无法预知一个微观粒子未来的状态。正如爱因斯坦所说的:上帝不玩骰子,但是量子力学让我们不得不相信,上帝似乎是玩骰子的。

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