对于薛定谔的猫这个思想实验,之前做过不少科普,在科普的过程中,我也会留意伙伴们的留言,发现了一个很有代表性的问题,很多伙伴之所以不太理解该思想实验,关键在于没有理解到底什么是“随机性”。

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日常生活中,我们也会经常用到“随机”的概念,但其实量子力学中的“随机”与我们日常生活中用到的“随机”概念是有本质区别的。

其实我们现实中所谓的“随机”都是“伪随机”,之所以会产生随机的假象,就是因为“信息的缺失”。举例说明就明白了。

一双手套,分别被装在两个箱子里。我们并不知道哪个箱子装的是左手套,哪个箱子装的是右手套,这就让我们产生了随机的感觉。其实箱子里到底是左手套还是右手套,早就确定了,只是我们不知道而已。现实生活中几乎所有随机事件都是这样的。

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还有掷硬币游戏,在很多场合,我们都会用掷硬币的形式来做决定,我们认为掷硬币的结果是随机的,其实不然,这种看似随机的事件也是源于信息的缺失。如果我们能获得以下信息:掷硬币的力度,角度,还有在整个过程中的空气摩擦力,空气湿度温度对硬币的影响,甚至周围环境的声波带来的影响等等,理论上一定能计算出硬币到底是正面还是反面。也就是说,在硬币抛出去之后,我们不用亲自看,就能知道硬币的正反。

还有更常见的天气预报,之所以会有偏差,就是因为我们无法详细掌握每个空气分子的运动状态,不然天气预报准确率肯定会达到百分之百。

说白了,我们日常生活中所谓的“随机”只是“伪随机”,甚至可以说“一点也不随机”。网络游戏中开宝箱时看似随机出现的各种装备宝石,其实也不是真正的随机,实际上早就确定了。哪怕你脑袋里随便想出来的一个数字,都不是随机产生的。

但是量子力学出现之后,人们对随机的认知遇到了一个大麻烦。科学家们通过实验发现,量子力学在描述微观粒子的具体物理量时并不能给出确定答案,只能用概率去描述。还是举例来说明。

比如说电子的自旋方向,利用量子力学的计算结果是,电子自旋方向有50%的概率是朝上的,50%的概率是朝下的。而且当科学家们进行实验观测时,与量子力学计算的结果基本相同。同样的,还有放射性元素的衰变也是如此,有50%的概率衰变,也有50%的概率不衰变。

这样的计算和观测结果让科学家们很苦恼,也很不解,因为在我们的宏观世界,观测任何事物,结果都是确定的。比如说大街上行驶的汽车,在某个时间点的行驶方向都只有一个,是确定的,是朝南就是朝南的,不可能在一次观测中朝南,在下一秒观测就朝北。还有,如果汽车停在路边,它肯定就在那里了,无论你观测多少次,都会在那里,不会出现“汽车的位置会随着你的观测而出现在不同的地方”。

但在量子世界里,宏观世界里的“确定”概念是不存在的,微观粒子的位置速度等物理量只能用概率去描述,至于为什么会这样,长期以来物理学界有两大观点,也是两大学派之间的较量,相信很多人都听说过,以爱因斯坦为首的经典物理学派,还有以玻尔为首的哥本哈根学派。

经典物理学派

该学派以爱因斯坦和薛定谔等人为代表。爱因斯坦认为,量子力学之所以只能以概率来描述微观粒子的物理量,就是因为量子力学本身是不完备的。他认为量子力学里所谓的“随机”其实也是源于信息的确实,这与宏观世界是一样的。

因为一些我们尚且不知道的因素(比如说微观粒子太小,很容易受周围环境影响),结果就会导致每次观测出现“随机”结果。实际上这就是爱因斯坦提出的“隐变量”诠释,认为那些未知因素就是隐变量,只要找到隐变量,量子力学中的随机行为就会变成确定行为。

哥本哈根学派

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以玻尔,海森堡,玻恩等人为代表。哥本哈根学派认为量子力学已经非常完备了,随机性就是量子力学的固有属性。也就是说,微观粒子的叠加态是真实存在的,我们的任何观测行为都会导致叠加态发生坍缩,随机坍缩为本征态,也就是确定状态。

可以看出,在爱因斯坦眼里,量子力学中所谓的随机也是“伪随机”,与现实世界的随机事件是一样的,都是因为信息的缺失导致的,量子力学中的信息缺失,其实就是刚才说的隐变量。

而哥本哈根学派的观点是,量子力学中的随机是真正的随机,这种随机性是量子世界的固有属性,在没有观测前,微观粒子的叠加态和随机性是一直存在的。

量子世界里的叠加态完全违背了我们的日常生活认知,毕竟我们所在的宏观世界并没有叠加态的存在。举个例子,此刻的你正悠闲地坐在家里的沙发上看这篇科普文,很显然你就在沙发上坐着,你的位置很确定,无论我观测与否,你都在那里。不可能出现这种情况:我每次观测你,你都会出现在不同的地方,甚至会出现在月球上。

但是,我们每天看到的宏观物体也都是由微观粒子组成的,既然微观粒子有叠加态,按道理讲,宏观物体也应该有叠加态才对,为什么宏观世界不是这样的呢?

玻尔的解释是,叠加态只会出现在微观世界,而我们每天看到的宏观物体质量都太大了,所以根本体现不出微观粒子的叠加态这种特性,说白了就是体现不出波动性,只有粒子性。

薛定谔对于玻尔的解释非常不满,认为玻尔只是在刻意回避,因此就提出了著名的思想实验,薛定谔的猫

这个思想实验非常巧妙,几乎完美地把量子世界的叠加态引入到宏观世界,简单来讲是这样的。

一个密封的箱子,里面有放射性元素,开关,锤子,瓶子(瓶子里装有毒气),还有一只猫。放射性元素可以通过衰变与否控制开关,如果衰变了,开关就打开,然后锤子落下砸向瓶子,毒气就会释放出来,把猫毒死。否则如果放射性元素没有衰变,猫自然就不会被毒死。

如果按照玻尔为首的哥本哈根诠释来理解,由于放射性元素处于“衰变与未衰变”的叠加态,很明显,箱子里的猫也就会处于“生和死”的叠加态

而在我们打开箱子进行观测的一瞬间,猫就从“生和死”的叠加态瞬间坍缩为“要么生,要么死”的唯一确定状态。

显然,这对于我们来讲是毫无道理的,现实世界中不可能存在一只“既死又活”的猫,我们的观测行为也不应该影响猫的状态。薛定谔就是想通过这种违背常识的结果质疑哥本哈根学派,反驳讽刺玻尔的观点。

而爱因斯坦和玻尔两大物理学巨头也因此争论了几十年,直到两人都离开人世,也没有最终的结论。

理论上讲,要验证爱因斯坦和玻尔到底谁正确,是很简单的,通过实验来验证不就行了吗?更何况任何科学理论本来就是要通过实验来验证的。

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但问题就在于,爱因斯坦和玻尔的争议在于,两人对一个量子系统在观测之前的状态有着不同的解释,爱因斯坦认为观测之前量子系统就是确定的,而玻尔认为观测之前量子系统处于叠加态。而任何实验都要进行观测,不管是什么形式的观测,总之离不开观测。

但无论如何我们都不可能获取“观测之前”的任何数据,实际上这就等于出现了一个无解的矛盾。通过实验获取的任何数据肯定是观测之后的数据,观测之前的数据是无法获取的。

是不是真的无解呢?也不是。著名物理学家约翰贝尔在上世纪60年代的一篇论文中提出了著名的“贝尔不等式”。如果不等式成立,则隐变量就是存在的,爱因斯坦对了。如果不等式不成立,隐变量就不存在,玻尔对了。

于是基于贝尔不等式的相关实验陆续开展了,结果表明隐变量真的不存在,也就是说爱因斯坦错了,玻尔为首的哥本哈根诠释笑到了最后。但其实仍有不少学者怀疑相关实验的严谨性。关于贝尔不等式,这里就不再详述了,之前有做过专门的详细科普,有兴趣的可以查阅一下之前的科普文。

那么,既然哥本哈根诠释是对的,该如何解释那只“既死又活”的猫呢?物理学家提出了很多相关的理论,比如说多世界诠释,退相干诠释等。

本人更倾向于退相干诠释,因为退相干起码以我们的宏观世界思维诠释了为什么叠加态不会出现在宏观世界。

这里简单说一下退相干。退相干,说白了就是“退出相干性”,也可以通俗理解为“退出叠加态或者不确定性”。一个宏观物体必定与其外部环境相互作用,在这个过程中由于量子相干性而产生的量子现象,比如说叠加态,量子纠缠等,会因为量子退相干而变得消失不见。

就拿薛定谔的猫这个思想实验来讲,其实根本不用人类亲自观测,在这个实验还没开始时,猫的状态就确定了。因为处在宏观世界的放射性元素不可能处在叠加态,周围环境早就和放射性元素发生相互作用从而导致叠加态发生坍缩了。

毕竟虽然装有猫的箱子看起来是绝对密封的,但其实且不说箱子不可能是绝对真空状态,即使是绝对的真空,箱子里面还有其他宏观物体,比如说开关,锤子,瓶子,当然还有猫本身,这些宏观物体都会瞬间与放射性元素发生作用,猫本身的观测其实也属于观测行为。

完!