薛定谔的猫到底想表达什么? 真的有一只既死又活的猫吗?

小夏 科学 更新 2024-02-13

薛定谔的猫是物理学家薛定谔提出的一个思想实验。 薛定谔的初衷其实很简单,就是要通过一个“既死又活”的猫。来“恶心”玻尔作为领导者哥本哈根学校

哥本哈根学派有一个核心思想:不确定性,或者说叠加,即微观粒子的状态是不确定的,处于某种叠加状态,当我们观察微观粒子时,叠加状态会“坍塌”并成为确定状态。

在薛定谔的猫实验之前,我们先来看看另一个著名的实验:电子双缝干涉实验理解之后,它将帮助我们了解薛定谔的猫。

很长一段时间以来,物理学家认为电子是一种粒子,就像玻璃球一样真实。 但是当他们用电子进行双缝干涉实验时,他们发现的结果颠覆了他们的三种观点。

即使物理学家发射一个电子,即一次只有一个电子,随着发射电子总数的累积,接收屏幕上仍会出现干涉条纹。

虽然接收屏幕上出现的亮点一开始看起来很混乱,但当发射的电子总数达到一定水平时,那些原本看起来混乱的亮点逐渐变成了规则的明暗干涉条纹。

如果发射电子束是可以理解的,那么发射单个电子时仍然会出现干涉条纹是不可理解的,物理学家完全困惑了。

为什么? 因为为了发生干扰现象,最低条件是:必须有两个粒子同时通过不同的狭缝然后你可以干涉。

问题来了:如果一个电子想要干涉,它必须同时通过两个狭缝,然后干涉自己!

这怎么可能? 单个电子怎么可能同时通过两个狭缝? 这就像一个玻璃球,你不能同时穿过两个孔。

物理学家自然想知道电子是如何通过两个狭缝的,理论上很容易弄清楚,只需直接观察即可。

但不观察也没关系,观察后物理学家更是一头雾水:电子似乎事先就知道有人会观察,乖乖地穿过一条缝,接收屏幕上的干涉条纹消失了。

这是什么意思? 意义观察结果会影响最终结果

当我们不观察时,电子通过两个狭缝的概率是100%,也就是说,它会同时通过两个狭缝。 而当我们观察时,一个电子通过某个狭缝的概率是50%,只有某个狭缝会被选中通过!

让我们详细谈谈薛定谔的猫这个思想实验。

实验其实很简单,一个密封的盒子,里面有一只猫、放射性元素、开关、锤子和一个装有毒气体的瓶子。

放射性元素衰变,一旦衰变,就会碰到开关,锤子会落下砸瓶子,释放出的毒气会毒死猫。 如果它不腐烂,猫自然不会中毒。

因此,猫的生死取决于放射性元素是否会衰变。 然而,根据量子力学的不确定性和叠加原理,放射性元素是否衰变是不确定的。

需要注意的是,这里的不确定性并不意味着放射性元素可能会衰变,也可能不会衰变,而是处于同时衰变和不衰变两种叠加状态,说白了,放射性元素衰变和不衰变的概率是100%,而不是50%,只有当我们观察时,放射性元素衰变和不衰变的概率才会坍缩到50%, 也就是说,要么衰变,要么不衰变。

用宏观物体的类比,你可以看到这种叠加是多么不可思议。 就像我们抛硬币一样,在某个时刻,硬币的状态对我们来说似乎是不确定的,但这种“不确定性”与量子世界的不确定性有着根本的不同,严格来说,硬币的正负状态不是不确定的,只是我们不知道。

但硬币肯定只有一种状态,要么是正面,要么是反面。 但在量子世界中,硬币的状态是“正面和反面”的叠加!

所以由于放射性元素同时处于衰变和不衰变的叠加状态,盒子里的猫自然处于“死活兼备”的叠加状态。也就是说,猫活着的概率是100%,死亡的概率也是100%。 当我们打开盒子观察的那一刻,猫咪的生死概率将降低到各50%!

显然,这样的猫完全违背了我们的基本世界观,一只“死活兼备”的猫怎么可能存在呢? 一开始,薛定谔其实是用猫来质疑和讽刺哥本哈根学派的不确定性解释。

薛定谔的猫只是一个思想实验,言下之意是,不可能在现实中做这样的实验,并亲自验证。 但至少从理论上讲,薛定谔的猫是刀枪不入的,所以物理学家需要解释这只令人抓狂的“死活”猫。

目前主要有两种解释:平行宇宙(多世界解释)。就是这样相干解释

多世界解释认为,宇宙发生在我们观察的那一刻,在我们的宇宙中只能看到猫的某种状态,例如活猫。 但这并不意味着死猫没有出现,它只是出现在另一个世界,即所谓的平行宇宙。

更深层次的含义是,因为观察行为在我们的世界中无处不在,这意味着我们所做的每一个观察,我们做出的每一个决定,都会使宇宙发生**。 当面对众多可能的选择时,我们只能做出一个选择,其他被抛弃的选项并不是真正放弃,而只是出现在平行宇宙中。

多世界的解释是疯狂的,我们很难接受,更难在实验中验证。

非相干的解释要合理得多。 所谓退相干,是指“退出相干性”和“退出量子相干性”。 具体来说,微观粒子的量子效应会因为量子退相干而消失,这将使系统的量子行为成为经典行为。

任何微观粒子都不可能独立存在,并且与外部环境没有任何交集。 以薛定谔的猫实验为例,其实我们根本不需要观察,有些物体已经为我们“观察”了。 因为观察显然不仅仅意味着“用眼睛看”,任何互动都可以理解为“观察”。

即使装有猫的盒子是完全密封的,也不可能隔离和去除所有无处不在的物质,例如中微子。 退一步走一万步,就算所有外界物质都能被隔离除去,至少还有猫、瓶子、开关等物体,也会影响放射性元素的状态。

说白了,猫咪自身的“观察”早就让放射性元素发生了”。波函数坍缩,从衰变与不衰变的叠加到唯一确定的“衰变或不衰变”状态。

最大的问题是:观察为什么量子系统会影响微观粒子?它究竟受到什么影响?

这个看似简单的问题至今仍没有得到完美的解释。 有人可能会说,观察行为意味着光子与微观粒子相互作用,对微观粒子造成一定程度的扰动。 虽然这种解释更符合我们日常的认知,但实际上却站不住脚,因为如果观察行为干扰了微观粒子的量子态,就意味着在观察之前存在着某种确定的量子态,显然这是一个矛盾,因为观察之前的状态是不确定的。

那么,你究竟如何解释呢?

我只能不好意思说:我不知道! 不仅我不知道,物理学界的大人物也不知道。 这就是为什么物理学家费曼说:如果你第一次学习量子力学,并认为你已经知道它,那只意味着你根本不理解它!

因为世界上没有人真正了解量子力学,至少现在是这样。

目前对观测行为为什么会影响微观粒子量子态的主流解释是哥本哈根解释,即不确定性和叠加态。 观察这种行为会导致微观粒子的波函数坍缩,至于它为什么坍缩,正如我刚才所说:我不知道。

物理学家只是根据结果进行逆向推断,即物理学家只观察到微观粒子的“波函数”坍缩,然后用“波函数坍缩”来总结或解释观察到的行为,但不知道坍缩的原因。

说白了,波函数坍缩实际上是一个假设或公理。这其实和“光速不变原理”是一样的,物理学家不知道为什么光速是恒定的,但是他们观察到光速是不变的,所以他们假设“光速不变”。

很多科学发现都是这样的,我们只是观察到某种结果,但我们不知道底层逻辑是什么。

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