薛定谔的猫,物理学界“四大神兽”之一,是由著名物理学家薛定谔在1935年提出的思想实验。该思想实验是通过把微观领域的量子效应扩展到宏观世界,通过宏观世界的诡异表现讽刺质疑哥本哈根学派关于量子叠加态的诠释。

实验过程很简单。

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一个密封的箱子,里面有一只猫,一个放射性元素,还有开关,锤子,装有毒气的瓶子。如果放射性元素衰变就会释放出粒子,触发开关,锤子落下砸碎瓶子,释放出毒气,把猫毒死。如果放射性元素不衰变,猫也就不会被毒死。

也就是说,猫是死是活取决于放射性元素是否衰变。但是放射性元素的衰变概率为50%,这里的“50%”并不意味着“衰变或者不衰变”,而是处于“衰变与不衰变”两种状态的叠加态。当我们进行观测时,这种叠加态就会发生坍缩,坍缩为“要么衰变,要么不衰变”的确定状态,概率是50%。

既然放射性元素一直处于“衰变与不衰变”的叠加态,意味着猫也处于“生和死”的叠加态。但是根据经典物理学,一只猫不可能同时处于“生和死”的状态。当我们想知道猫到底是死是活,只能去观测,而在观测的瞬间,猫的最终状态才能确定下来。

其实,薛定谔提出这个思想实验的目的很单纯,就是想表达对哥本哈根诠释的不满和讽刺。不过让他没想到的是,薛定谔的猫这个思想实验在某种程度上推动了量子力学的发展,该实验可以让微观与宏观联系在一起,把微观世界延伸到了宏观世界,同时向人们展示了观测行为可能会以何种形式影响量子。

随着量子力学的不断发展,物理学界也延伸出了很多理论和设想,试图诠释薛定谔的猫这个思想实验,比如说平行宇宙理论,甚至还有哲学方面的争议。

当然,以上只是对薛定谔的猫简单的介绍,要想深入了解背后的故事,需要从量子力学的一个基本概念说起,那就是“叠加态”。

叠加态是量子世界区别于宏观世界的根本所在。在我们的宏观世界,都具有确定性,最简单的例子,一辆汽车停在路边,汽车就在那里,不会在别的地方,这是很确定的。但是,到了量子世界,这种确定性彻底被不确定性取代,微观粒子的速度,位置等信息都是不确定的,只能用概率去描述。

就拿上面所讲的小汽车来讲,如果小汽车在量子世界里,那么它就有可能不在路边,有一定概率出现在其他任何地方,也就是说小汽车的位置是不确定的,同时它的速度也是不确定的。也就是说,汽车可以同时处在两个不同的地方。

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上学时我们都学过原子结构中的“电子云”概念,电子并不是围绕原子核旋转,它的轨道并不是确定的,而是非常随机地出现在原子核周围,甚至可以同时出现在多个不同的位置,结果就表现出一团“云雾”,被称为“电子云”,电子云的密度代表电子出现在不同位置的概率。

说到这里,不得不提薛定谔方程,该方程在量子世界的地位那是相当重要,相当于牛顿力学在宏观世界的地位,所以,你不用去理解薛定谔方程的具体意思,只需要明白该方程在量子世界的地位就行了,它是描述了微观粒子的运动规律,就像牛顿力学描述了宏观物体的运动规律一样。

薛定谔方程,主要描述了波函数随时间演化的规律,求解波函数就可以得到量子系统中某个时间的概率。

薛定谔本人并没有给出波函数的物理含义,这个问题被玻恩解决了。玻恩提出了“概率波”诠释,认为波函数就是描述微观粒子在某个位置某个时刻出现的概率,这种概率波诠释也被称为哥本哈根诠释。玻恩也因为概率波诠释获得了诺贝尔物理学奖。

按说薛定谔应该感谢玻恩才对,毕竟玻恩诠释了波函数的物理含义。但由于玻恩是哥本哈根学派的代表人物,而薛定谔与爱因斯坦是经典物理学的坚定支持者,所以薛定谔并不认同玻恩的概率诠释。

不过主流科学界早已认同了这种概率诠释,这种诠释认为,在没有对量子系统进行观测时,微观粒子的位置和速度都是不确定的,处于一种叠加态。微观粒子可能出现在这里,也可能出现在那里,实际上可以描述为同时处于这里和那里的叠加态。

薛定谔的猫这个思想实验里,放射性元素就处于衰变与未衰变的叠加态。

要想确定具体是什么状态,只能通过观测。而在我们实施观测的一瞬间,微观粒子的状态就会从叠加态瞬间坍缩为“本征态”,也就是确定状态。微观粒子只能在这里或者在那里,放射性元素也只能处于衰变或者未衰变的状态。

也就是说,我们的观测影响了微观粒子的状态,这一点是让人最难以理解的,毕竟我们的宏观世界是不存在叠加态的,只有本征态。

也正是因为量子力学中的很多诡异现象完全违背了我们的日常生活经验,所以包括爱因斯坦薛定谔等物理学界大佬在内的很多人都对量子力学表示怀疑。爱因斯坦薛定谔等人并不是质疑量子力学的正确性,他们两人也是量子力学的奠基人之一,当然不会质疑量子力学,他们质疑的是量子力学的完备性,质疑的是哥本哈根诠释

在爱因斯坦和薛定谔眼里,量子力学是不完备的,一定存在更深刻的物理结论(隐变量)来诠释量子力学的底层逻辑。不过后来的贝尔不等式表明,隐变量并不存在,所以爱因斯坦错了。

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爱因斯坦提出“上帝不掷骰子”来反驳哥本哈根学派的代表人物玻尔,而薛定谔则提出了薛定谔的猫这个思想实验来质疑并讽刺哥本哈根诠释。

薛定谔认为,现实中不可能存在一只“既死又活”的猫,因此哥本哈根诠释所谓的“叠加态”是站不住脚的。

有人可能会说,那还不简单吗,直接把薛定谔的猫实验中的密封箱子换成透明的,不就行了吗?透明的箱子就能“悄悄”地观察猫到底是死是活。

这种想法是对“观测”的误解。事实情况是,任何观测行为都会影响到实验结果,不仅仅是人类用眼睛观测,用包括实验仪器在内的任何直接或间接手段观测,都属于“观测”行为,而只要观测了,就会对箱子内部的量子系统产生影响。

但是如果不观测,人们就不知道箱子里面猫的状态,只能从理论上分析猫处于“既死又活”的叠加态。而只要一观测,猫的状态就会确定下来,要么死,要么活。

薛定谔的猫,也因此成了“世界难题”,至今物理学界也没有给出完全解释。不过也因此衍生出了一系列观点和假说。比如说多世界诠释,退相干诠释,隐变量诠释,当然还有哥本哈根诠释等。

多世界诠释认为,在我们实施观测的一瞬间,世界就发生了分裂,会分裂出两个不同的世界,我们只能看到其中一个世界的现实,当然就是我们的世界。如果我们看到的是一只活猫,并不意味着死猫不存在,死猫只是出现在了另外一个世界。

更深的含义是这样的,由于现实生活中我们的一举一动都在观测,意味着我们的任何选择都会分裂出无数个世界,而在现实世界中我们只能做出一种选择,放弃其他选择。其实其他选择并没有被放弃,只是发生在了其他世界,或者说其他宇宙。

最通俗的例子,你走到十字路口,选择了直行,并没有选择左拐或者右拐。其实“你”同样选择了左拐或者右拐,只是这两种选择发生在其他世界。

退相干诠释。何为“退相干”?退相干,说白了“退出相干性”,也就是“退出量子特性”,就是量子系统与周围环境发生相互作用而失去量子行为的过程。由于量子相干性而产生的量子行为,比如说叠加态,量子纠缠等,会因为量子退相干而变得消失无踪,促使系统的量子行为变迁成为经典行为。

拿薛定谔的猫这个思想实验来讲,其实根本不用我们观测,哪怕是箱子是绝对密封的,放射性元素早就与周围环境发生了相互作用,从而发生“退相干”。因为密封的箱子不可能完全杜绝与周围环境的相互作用,即便箱子内部是绝对的真空,但箱子本身,玻璃瓶,锤子,甚至猫本身都可以是“观测”者,都会与放射性元素发生相互作用,让放射性元素从叠加态瞬间坍缩为“本征态”。

隐变量诠释认为,量子力学中所谓的诡异现象,背后一定存在更为深刻的“隐变量”来诠释,也就是说,我们并没有找到量子世界的底层逻辑到底是什么,所以才会觉得量子力学如此诡异。一旦找到隐变量,就可以用经典世界的思维诠释量子世界的诡异行为。

而哥本哈根诠释其实也包括以下几种思想。

波函数。薛定谔方程中波函数可以完整描述量子系统中微观粒子的量子态。

概率波。波函数其实就是概率波,这种观点是由玻恩提出来的,描述的是微观粒子的概率呈现。

不确定性原理。由海森堡提出,在量子系统里,微观粒子的位置和速度不能同时确定。

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互补原理。或者说波粒二象性,微观粒子可以表现为粒子行为,或者波动行为,但不能同时表现为粒子和波动行为。

总结

量子力学发展了一百多年,至今科学家也无法诠释量子世界那些诡异现象的本质,但科学家们可以肯定的是那些诡异现象,比如说量子纠缠,量子隧穿效应,叠加态等确实存在,并能够利用那些现象为我们所用。

也就是说,对于量子力学,科学家也是“知其然不知其所以然”。不过,主流科学界认同哥本哈根诠释。

最后,物理学界四大神兽,除了薛定谔的猫之外,还有芝诺的龟,拉普拉斯兽,麦克斯韦妖。

完!