科學界很少有像薛定諤的貓這樣著名的思想實驗,盡管大多數嘗試過的人都無法向您解釋。
這並不是說思想實驗的含義是不透明的。
事實上,這個思想實驗的含義幾乎人盡皆知:薛定諤的貓既是活的又是死的。
但這到底是什麼意思呢?什麼樣的邏輯鏈可以導致這個結果?幸運的是,你不需要物理學學位也能理解薛定諤在他的思想實驗中得到了什麼,就連愛因斯坦也稱贊薛定諤對量子力學中一些比較混亂的部分做出了如此簡單的解釋。
總之,薛定諤貓思想實驗並不像很多人想象的那麼復雜,正確理解薛定諤貓是掌握量子物理奇異領域基本特征的重要組成部分。
薛定諤是誰?
ErwinSchrdinger是一位獲得諾貝爾獎的奧地利物理學家,他在發展量子理論的許多基本方面方面發揮了重要作用。
除了他著名的思想實驗,薛定諤最出名的是他的波動方程,用來計算量子系統在不同時間點的波函數。
盡管薛定諤在它的形成中發揮了如此重要的作用,但他並不總是同意他的量子理論家同行。
事實上,他們為量子力學提出的許多想法在薛定諤看來很可笑,尤其是量子力學最著名的特征之一:疊加。
什麼是量子疊加?
量子疊加是量子力學的一個特征,一個粒子可以存在多個量子態,隻有測量一個粒子才能確定它的確定態。
可以理解的是,這在物理現實之下增加了一層,這讓許多人覺得違反直覺或顯而易見。
一方面,說粒子的狀態隻有被測量才能確定,這似乎並不具有革命性。
在測量之前,您也無法確定自己的身高,所以有什麼大不了的?兩者的區別在於你有一定的身高,不管你量不量。
如果你的身高具有疊加的量子特性,那麼在測量之前你根本就沒有確定的身高。
一般而言,您處於任何給定可測量狀態的機會完全相同,因此如果我們將其限制為1.7米,您將有12分之一的機會成為1.73米高、1.75米高等等在。
但在我們對您進行測量之前,您無法達到這些高度。
後一部分與我們自己的生活經驗相反,因為我們在日常生活中從來沒有以這種疊加的方式遇到事物。
當你縮小到足以處理單個原子甚至更小的粒子時,疊加不僅是可能的,而且在過去的幾十年裡一次又一次地被證明。
什麼是『哥本哈根詮釋』?
量子力學的哥本哈根詮釋並不是一個具體的東西,而是與量子力學的兩位主要創始人尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡密切相關的關於量子理論的思想集合。
對我們來說重要的是玻爾在1930年代假設的想法,即量子粒子和用於測量該粒子的儀器不是彼此獨立的,而是在進行測量的過程中密不可分。
這導致了一個普遍的概括,即一個粒子『知道』它正在被觀察,並通過定義它的狀態來響應觀察者的存在,以便它可以被測量。
這直接違背了經典物理學和邏輯學的基本原理,正是這一點讓薛定諤感到困惑,以至於他開發了著名的思想實驗來證明這個想法是多麼荒謬。
薛定諤的貓思想實驗是什麼?
為了證明粒子無法在量子水平上與觀察者聯系,薛定諤設計了一個看起來幾乎邪惡的思想實驗。
事情是這樣的:你有一隻貓在一個完全密封的盒子裡,不受任何外界觀察。
裡面是一個涉及蓋革計數器、毒藥和放射性原子的裝置。
受量子規則支配,它的原子可能會或可能不會在一小時內以相同的概率進入衰變狀態。
如果原子衰變,蓋革計數器會檢測到輻射並觸發錘子打開毒瓶,殺死貓。
如果沒有原子衰變,那麼貓就是活的。
但是,由於疊加原理,物質要麼衰變,要麼不衰變,所以蓋革計數器既是砸瓶又是不砸,薛定諤的貓既是活的又是死的,同時發生。
所以哥本哈根解釋是說,隻有打開盒子,觀察實驗,才能確定衰變或不衰變的量子態,所以隻有打開盒子,才能確定裡面貓的真實命運。
一隻貓怎麼能同時活著和死去呢?
這個問題正是薛定諤思想實驗要解決的問題,以證明量子力學的主流哥本哈根解釋一定是錯誤的。
我們不能認為一隻貓同時既是活的又是死的,但如果解釋告訴我們是這樣的話,那它肯定是不正確的,所以薛定諤和其他『哥本哈根解釋』的反對者認為它正在遠離科學並進入哲學和形而上學世界。
一個重要的區別是薛定諤並不是說量子疊加是不真實的,他試圖表明實驗性的人類觀察者不是決定因素,因為幾乎任何物體與粒子的任何相互作用疊加All都可以算作量子意義上的觀測。
早在人類打開盒子之前,蓋革計數器就已經確定了薛定諤貓的命運。
其實愛因斯坦說『上帝不跟宇宙擲骰子』,指的就是這個。
事實上,他在1950年寫信給薛定諤反問:『貓的狀態是否隻有在物理學家在特定時間調查情況時才會產生?』是由有意識的觀察者驅動的,而『薛定諤的貓』隻是一個突出量子理論奇異之處的思想實驗,旨在使這一事實更加明顯,將觀察者驅動的概念降低為荒謬的。
不幸的是,我們這個時代的許多科普作家繼續傳播這樣一種誤解,即量子態《和現實本身》是由有意識的觀察者決定的。
所以現在你知道薛定諤貓背後的真實故事了,但別擔心,量子力學在不求助於貓科動物多元宇宙的情況下已經足夠奇怪了。