解读“薛定谔的猫”,一只“既死又活”的猫到底表达了什么?

薛定谔的猫,并不是简单的一只猫,而是一个思想实验,涉及量子力学不确定性的思想实验。

或许你还不清楚薛定谔的猫到底讲述了什么,但应该听过这个名字。在量子力学的发展过程中,这个思想实验扮演着相当重要的作用,某种程度上加快了对普通人关于量子力学的科普工作。

那么,薛定谔的猫到底是什么样的思想实验呢?讲述之前,有必要先了解一下电子双缝干涉实验。

这是一个真实的实验,物理学家们在现实中已经做过很多次的实验。相比薛定谔的猫,大家对双缝干涉实验应该更熟悉。

所以,这里就长话短说。一个电子发射器,一块带有两条狭缝的挡板,一个接受电子的屏幕。

一般情况下认为电子是实实在在的粒子,当物理学家朝着挡板发射电子时,穿越双缝之后屏幕上应该会留下两条条纹,这也符合我们的日常生活经验。

但是当电子不断发射出去之后,物理学家们发现屏幕上并不是两条条纹,而是多条干涉条纹。

这种结果说明一个问题,电子表现出来的是波的特性,电子是波,起码不仅仅是粒子。这让物理学家们很懵圈:电子怎么会是粒子呢?

于是,物理学家们改进了这个实验,这次不再发射大量电子,而是一个一个地把电子发射出去。这样的话,单个电子无论如何都不会发生干涉现象。

但实验结果让物理学家们又一次炸了天。他们仍然在屏幕上看到了多条干涉条纹。这种结果说明一个问题:单个的粒子不但同时穿过了两条狭缝,而且穿过之后自己与自己发生了干涉!

如果不是亲眼所见,打死也不会相信!如果你对一个完全不了解量子力学的人说出这样的实验结果,他肯定会嗤之以鼻,甚至会在心里面暗暗骂你是疯子。

单个电子怎么可能同时穿过两条狭缝?不可能,绝对不可能!

不仅仅是普通人,一开始物理学家们也不相信这样的事实。但结果就摆在那里,不由得他们不信。

物理学家们当然不会轻易妥协,他们又改进了实验,在挡板旁边安装了探测器,想看看单个电子到底是如何同时穿过两条狭缝的。

结果不看不要紧,一看让他们顿时六神无主!电子就好像知道物理学家们在窥探它们一样,当物理学家们用探测器观察电子时,电子乖乖地只穿过一条狭缝,而且屏幕上的多条条纹消失不见,变成两条条纹!

而一旦把探测器关闭,屏幕上再次呈现多条干涉条纹!

物理学家们不禁惊呼:见鬼了!人们的观测行为竟然影响到了电子的表现状态。

对于电子双缝干涉实验的解释有很多种,有些甚至带有科幻色彩。而目前的主流理论是波粒二象性,也就是不确定性。电子的位置是不确定的,是随机的,可以同时出现在任何地方,甚至同时出现在两个不同的地方。

而任何观测行为都会导致电子位置的坍缩,从不确定状态坍缩为确定状态。

了解了电子双缝干涉实验的来龙去脉,就很好理解薛定谔的猫这个思想实验了。

实验很简单,一个密闭的箱子,一只猫,一个开关,一个毒气瓶,还有放射性元素。

这几种事物的关系是这样的,放射性元素可以通过衰变控制开关,而开关控制毒气瓶是否打开,如果打开,就会释放毒气,猫就会被毒死。

根据量子力学的不确定性,放射性元素衰变的概率是不确定的,处于衰变与不衰变的叠加态。

注意,这里的不确定是绝对的不确定,是微观世界的本质属性,与人类的观测水平高低没有任何关系。

而叠加态也是绝对的叠加,并不是“衰变或者不衰变”,而是“既衰变又不衰变”的叠加。如果我们想知道叠加态到底是一种什么状态时,就必须打开箱子观看,一旦这样做,叠加态立刻就会坍缩,变成“衰变或者不衰变”的确定状态。

而打开箱子观看的动作,就相当于电子双缝干涉实验中的探测器观测。

最终的结果就是,箱子里面的猫就处在一个“既死又活”的叠加状态。这显然是不可能的,现实中无论如何不可能存在这样一只猫。

薛定谔当初提出这个思想实验的用意,就是用“既死又活”的猫质疑并讽刺以波尔为首的“哥本哈根学派”提出的不确定性。

让薛定谔没想到的是,这个思想实验在后来大大推广了量子力学的普及工作。对于这个实验的诠释有很多种,比如说对“观测行为”的定义,到底什么才是“观测”?

不仅仅是人类的观测行为,不仅仅是眼睛观看或者探测器观看,那只猫本身也会实施观测行为。事实上在我们没有打开箱子之前,猫的生死早就确定了,我们只是看一眼而已。

当然还有更激进的“平行宇宙”理论,认为箱子里的猫生死的概率确实是一半。当我们打开箱子看到一只活猫时,也一定会存在一只死猫,只不过死猫并不在我们的宇宙,而在另一个平行宇宙。

无论是电子双缝干涉实验还是薛定谔的猫,本质上都是量子力学中不确定性的直接体现。经过一百多年的发展,物理学家们仍然不知道不确定性背后的本质,只知道不确定性确实存在,而且早已应用在我们日常生活中。

也就是说,对于不确定性,我们只知其然,不知道其所以然!

THE END
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