薛定諤的貓到底講述了什麼?為什麼存在一隻『既死又活』的貓?

薛定諤的貓是由著名物理學家薛定諤在1935年提出的思想實驗,薛定諤提出這個實驗的主要目的是質疑量子力學的不確定性和疊加態,諷刺『哥本哈根學派』的觀點。

讓薛定諤沒有想到的是,這個實驗反而大大推動了量子力學的發展,還有量子力學知識的普及。

薛定諤的貓到底講述了什麼?為什麼存在一隻『既死又活』的貓?

之所以物理學界對量子力學有如此大的爭議,主要還是因為量子力學的詭異性。

總的來說,量子力學可分為兩大部分,已知的和未知的。

已知的主要包括我們觀察到真實存在的量子力學現象,比如說量子糾纏,不確定性,疊加態和量子隧穿效應等。

而未知的主要指的是對已知現象背後隱藏的本質。

也就是說,我們隻知道量子糾纏等現象的存在,但不知道為什麼會有量子糾纏現象,不知道量子糾纏的本質到底是什麼。

對於量子現象背後的本質,物理學界分為兩大派,分別是以愛因斯坦和薛定諤為首的經典物理學派,還有以波爾和海森堡為首的『哥本哈根學派』,波爾堅持認為不確定性才是量子世界的本質。

下面具體來說一下兩大學派的爭論到底在什麼地方。

拿電子來舉例子。

我們都知道原子是由原子核和電子組成的,原子核位於原子中央,電子在原子核外圍。

量子力學之前,人們認為電子在原子核外圍繞原子核旋轉,就像地球圍繞太陽旋轉那樣。

但是根據經典理論,電子在旋轉的過程中會向外輻射能量,導致電子的運行軌道越來越低,最終墜落到原子核上。

而現實中這種事情並沒有出現,否則原子也不可能一直保持穩定。

之後波爾提出了電子躍遷概念,認為電子隻能在不同的軌道之間來回躍遷,而不能位於兩個軌道之間。

但是,當物理學家對電子的狀態進行深入研究之後發現,我們根本無法準確測量電子的速度和位置,電子的狀態是隨機的,不確定的。

這裡的不確定並不是因為人類的測量水平低造成的,而是電子的本質屬性,也就是說電子本來就是不確定的,我們隻能用概率去描述電子的狀態,最終形成波函數。

如果我們不斷測量電子的位置,把位置都標記出來,最終會發現電子的位置就像一朵雲那樣,也就是電子雲。

電子在電子雲裡隨機出現,但我們並不知道在哪裡出現。

隻有當我們測量時,電子的位置才最終從電子雲變成一個固定的點。

波爾的解釋是這樣的:電子會同時出現在任何位置,而當我們測量電子時,電子就會隨機出現在某個位置。

愛因斯坦和薛定諤等人非常不認同波爾的解釋,愛因斯坦更是提出『上帝不會擲骰子』。

一個粒子怎麼可能同時出現在不同的地方?這完全違背了我們對現實世界的認知。

兩大學派的爭論一直持續了很長時間,由此也延伸出了很多其他理論。

這裡就不再一一列舉了。

下面重點說說薛定諤的貓。

這是一個思想實驗,實驗很簡單。

一個密封的箱子,裡面有一隻貓,一個毒氣瓶,開關和放射性元素。

放射性元素衰變與否控制著開關,而開關控制著毒氣瓶是否打開,一旦打開就釋放毒氣把貓毒死。

放射性元素的衰變完全由量子力學支配,處於衰變與不衰變的疊加態,注意這裡並不是指『衰變或者不衰變』,而是『既衰變又不衰變』的疊加態。

由此類推下去,開關就處於『開和關』的疊加態,最後貓就處於『活和死的疊加態』,也就是『既死又活』!

薛定諤就是用這樣的方式,把抽象的量子力學思想用宏觀世界的例子來通俗理解,用『既死又活』的貓來諷刺量子力學的不確定性和疊加態,因為我們都知道現實世界不可能存在既死又活的貓。

可能你會提出這樣的疑問,打開箱子看一下不就行了,看一下不就知道貓到底是死還是活?

你說得沒錯。

量子力學裡把這種行為叫做測量,一旦我們實施了測量,量子世界裡的疊加態就坍縮為確定態,從『既死又活』坍縮為『要麼死,要麼活』。

也就是說,量子世界裡的一切都是不確定的,而測量可以讓不確定性轉變成確定性。

看起來好像人的測量行為會改變量子世界的狀態。

因此也誕生了大量地攤文學,認為量子世界的不確定性與人們的測量行為有關,甚至人類的意識會影響最終的結果,實際上這些觀點都是主觀猜測,完全不是量子力學的初衷,也不是愛因斯坦和薛定諤等人的觀點。

雖然直到目前為止,物理學界仍然未能揭開量子力學不確定性的本質,但主流科學界是這樣認為的,量子力學的不確定性確實是固有屬性,與測量和其他外部因素無關,是由微觀粒子的波粒二象性決定的,而微觀粒子的狀態可以用波函數來描述,波函數的坍縮完全是隨機行為,我們無法預測,隻能觀察!

任何觀察行為,不僅僅是用眼睛看,都會導致波函數坍縮,從不確定狀態坍縮為確定狀態。