薛定諤的貓,並不是簡單的一隻貓,而是一個思想實驗,涉及量子力學不確定性的思想實驗。
或許你還不清楚薛定諤的貓到底講述了什麼,但應該聽過這個名字。
在量子力學的發展過程中,這個思想實驗扮演著相當重要的作用,某種程度上加快了對普通人關於量子力學的科普工作。
那麼,薛定諤的貓到底是什麼樣的思想實驗呢?講述之前,有必要先了解一下電子雙縫幹涉實驗。
這是一個真實的實驗,物理學家們在現實中已經做過很多次的實驗。
相比薛定諤的貓,大家對雙縫幹涉實驗應該更熟悉。
所以,這裡就長話短說。
一個電子發射器,一塊帶有兩條狹縫的擋板,一個接受電子的屏幕。
一般情況下認為電子是實實在在的粒子,當物理學家朝著擋板發射電子時,穿越雙縫之後屏幕上應該會留下兩條條紋,這也符合我們的日常生活經驗。
但是當電子不斷發射出去之後,物理學家們發現屏幕上並不是兩條條紋,而是多條幹涉條紋。
這種結果說明一個問題,電子表現出來的是波的特性,電子是波,起碼不僅僅是粒子。
這讓物理學家們很懵圈:電子怎麼會是粒子呢?
於是,物理學家們改進了這個實驗,這次不再發射大量電子,而是一個一個地把電子發射出去。
這樣的話,單個電子無論如何都不會發生幹涉現象。
但實驗結果讓物理學家們又一次炸了天。
他們仍然在屏幕上看到了多條幹涉條紋。
這種結果說明一個問題:單個的粒子不但同時穿過了兩條狹縫,而且穿過之後自己與自己發生了幹涉!
如果不是親眼所見,打死也不會相信!如果你對一個完全不了解量子力學的人說出這樣的實驗結果,他肯定會嗤之以鼻,甚至會在心裡面暗暗罵你是瘋子。
單個電子怎麼可能同時穿過兩條狹縫?不可能,絕對不可能!
不僅僅是普通人,一開始物理學家們也不相信這樣的事實。
但結果就擺在那裡,不由得他們不信。
物理學家們當然不會輕易妥協,他們又改進了實驗,在擋板旁邊安裝了探測器,想看看單個電子到底是如何同時穿過兩條狹縫的。
結果不看不要緊,一看讓他們頓時六神無主!電子就好像知道物理學家們在窺探它們一樣,當物理學家們用探測器觀察電子時,電子乖乖地隻穿過一條狹縫,而且屏幕上的多條條紋消失不見,變成兩條條紋!
而一旦把探測器關閉,屏幕上再次呈現多條幹涉條紋!
物理學家們不禁驚呼:見鬼了!人們的觀測行為竟然影響到了電子的表現狀態。
對於電子雙縫幹涉實驗的解釋有很多種,有些甚至帶有科幻色彩。
而目前的主流理論是波粒二象性,也就是不確定性。
電子的位置是不確定的,是隨機的,可以同時出現在任何地方,甚至同時出現在兩個不同的地方。
而任何觀測行為都會導致電子位置的坍縮,從不確定狀態坍縮為確定狀態。
了解了電子雙縫幹涉實驗的來龍去脈,就很好理解薛定諤的貓這個思想實驗了。
實驗很簡單,一個密閉的箱子,一隻貓,一個開關,一個毒氣瓶,還有放射性元素。
這幾種事物的關系是這樣的,放射性元素可以通過衰變控制開關,而開關控制毒氣瓶是否打開,如果打開,就會釋放毒氣,貓就會被毒死。
根據量子力學的不確定性,放射性元素衰變的概率是不確定的,處於衰變與不衰變的疊加態。
注意,這裡的不確定是絕對的不確定,是微觀世界的本質屬性,與人類的觀測水平高低沒有任何關系。
而疊加態也是絕對的疊加,並不是『衰變或者不衰變』,而是『既衰變又不衰變』的疊加。
如果我們想知道疊加態到底是一種什麼狀態時,就必須打開箱子觀看,一旦這樣做,疊加態立刻就會坍縮,變成『衰變或者不衰變』的確定狀態。
而打開箱子觀看的動作,就相當於電子雙縫幹涉實驗中的探測器觀測。
最終的結果就是,箱子裡面的貓就處在一個『既死又活』的疊加狀態。
這顯然是不可能的,現實中無論如何不可能存在這樣一隻貓。
薛定諤當初提出這個思想實驗的用意,就是用『既死又活』的貓質疑並諷刺以波爾為首的『哥本哈根學派』提出的不確定性。
讓薛定諤沒想到的是,這個思想實驗在後來大大推廣了量子力學的普及工作。
對於這個實驗的詮釋有很多種,比如說對『觀測行為』的定義,到底什麼才是『觀測』?
不僅僅是人類的觀測行為,不僅僅是眼睛觀看或者探測器觀看,那隻貓本身也會實施觀測行為。
事實上在我們沒有打開箱子之前,貓的生死早就確定了,我們隻是看一眼而已。
當然還有更激進的『平行宇宙』理論,認為箱子裡的貓生死的概率確實是一半。
當我們打開箱子看到一隻活貓時,也一定會存在一隻死貓,隻不過死貓並不在我們的宇宙,而在另一個平行宇宙。
無論是電子雙縫幹涉實驗還是薛定諤的貓,本質上都是量子力學中不確定性的直接體現。
經過一百多年的發展,物理學家們仍然不知道不確定性背後的本質,隻知道不確定性確實存在,而且早已應用在我們日常生活中。
也就是說,對於不確定性,我們隻知其然,不知道其所以然!