▌薛丁格的貓是一個量子力學思維實驗,它是一隻既是活著狀態、又是死亡狀態、兩個狀態並存的最神奇的貓。
貓是人類的好朋友,人們都喜歡擼貓。有這樣一隻貓,在物理學界,被廣大科學家們擼了近一個世紀!科學家們用這隻貓,向大家展示了一個完全與眾不同的微觀世界,這隻貓的存在與我們生活常識極其相悖、難以理解。我們普通人以生活視角第一次新認識這隻貓,無一例外都會感到萬分不可思議,感到異常的奇妙。它,就是「薛丁格的貓」!
為什麼連科學家們都熱愛擼「薛丁格的貓」了?答案是——這不是一隻普通的貓,它竟然是一隻既是生存狀態、又是死亡狀態、兩個狀態並存的,最神奇的貓!
薛丁格的貓,顧名思義,是奧地利著名物理學家薛丁格(Erwin Schrödinger)於1935年假設存在的一隻貓。薛丁格完整的假設是這樣的:將一隻乖巧惹人愛的貓咪,放入一個完全隔絕的盒子裡。盒子裡還有一個裝有少量鐳的觸發機器,和一瓶氰化物毒氣。因為鐳具有放射性,在這個盒子裡,如果鐳衰變了,將會觸發機器,打破氰化物毒氣瓶,使得貓中毒死亡;如果沒有衰變,機器不會被觸發,氰化物毒氣瓶不會打破,貓咪仍然活潑亂跳的玩耍著。
根據量子力學理論,由於放射性的鐳衰變具有隨機性,處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加,而鐳的狀態連接著貓的狀態,那麼貓就竟然處於活貓和死貓的疊加狀態!它的生死竟然是不確定的!
這就是著名的「薛丁格的貓」思想實驗。這隻貓的最終狀態,需要我們打開盒子時,才能知道它到底是活潑亂跳的,還是已經被氰化物毒死;如果我們不打開盒子觀察,它就一定是持續處在活貓和死貓的疊加狀態。
薛丁格的假設,是基於量子力學(Quantum Mechanics),是量子力學原理連接宏觀物體的形象例子。不確定性、隨機性、疊加態是量子力學的典型特徵。量子力學的科學理論,使得薛丁格的貓確實是存在的,確實是既生又亡的!
然而生活常識告訴我們,人們身邊可愛的貓咪,是一隻生命體,它的狀態要麼是活著的,要麼是死亡的,絕不可能既是活的又是死亡的。生活中,活著的貓,它就沒有死亡;死去的貓,它也絕不可能復活回來。
這就使得人們最初認識薛丁格的貓時,都感到非常的不可思議!
薛丁格的貓這樣有悖於常識的假設,當時連我們心中最偉大的科學家——愛因斯坦(Albert Einstein)都表示堅決反對!他說上帝是不擲骰子的,薛丁格的貓要麼是活著的,要麼是死亡的。不可能是既活著又死亡的疊加態。
頗為有趣的是,當時薛丁格假設這隻貓的存在,也是將其提出反對量子力學的!因為人們難以接受既活著又死亡的疊加狀態,這肯定違背了一般常識。薛丁格向量子力學科學家挖苦道,按照量子力學的解釋,容器中的貓處於「活-死疊加態」——既死了又活著。要等到打開容器看貓一眼才決定其生死。人們看一眼就導致了貓生或者貓亡。
但事實就是如此的奇妙,量子力學中,薛丁格這隻貓的生死確實是不確定的,處於疊加態中!
當時薛丁格的貓思想實驗一經提出,立即引發物理學界軒然大波,未等炒作就已經如日中天。科學家面臨著最現實的問題,就是這個世界上真的存在既死又活著的貓嗎?
以波爾(Niels Henrik David Bohr)為代表的哥本哈根學派站出來指出,薛丁格的貓就是存在的!在量子世界之下,薛丁格的貓確實就是一隻既是生存狀態、又是死亡狀態、兩個狀態疊加並存的貓!這是符合量子力學科學的。正因為你沒有打開盒子觀察,鐳衰變遵從波函數隨機分布,那麼貓就處於未知生死的疊加態中;一旦你打開盒子去觀察它,有了觀察者的介入,鐳衰變的波函數立即崩塌,鐳被確定為要麼發生了衰變、要麼未發生衰變,貓隨即呈現出生、或者是死的一個確定性的結果給你。這樣,薛丁格的貓後來卻又成為了量子力學打破質疑的力證之一。
那麼量子力學連接下的貓,就如何可以做到與眾不同,既生又亡呢?
因為在量子世界中,微觀粒子在沒有被觀測之前,它就沒有確定的狀態,從理論上來說它擁有無數種可能性,它可能處於任何一種狀態,處於任何一個位置,它的存在是隨機的。只有當微觀粒子被人觀測後,微觀粒子的多種狀態才會消失,它的疊加態會立即崩塌,變成可以確定位置的本徵態。這裡的多種狀態指的就是疊加態。薛丁格的貓,就是量子世界疊加態的形象展示。
量子力學的奇妙,引起了眾多科學家踴躍研究。諸多物理學家對薛丁格的貓繼續開展了深入地研究(科學家們也擁有著一定要將可愛的貓咪一擼到底的精神),先後提出了薛丁格方程、平行宇宙、量子相干性、量子自殺等眾多解釋,大為開闊了人們對微觀世界的認知。量子力學的主要論點逐漸得到了物理學界的廣泛支持,如:微觀世界的不確定性、疊加態、非定域性等等。至今,量子力學與相對論一起構成了現代物理的兩大支柱。
理解量子力學,可以舉一個簡單的例子:電子的運動。在原子裡面,電子運動是一個「電子云」形態。原子由原子核和核外電子組成,電子每時每刻都在圍繞原子核高速運動。但是電子的真實運動和你所理解的電子運動是不一樣的——電子是一會出現在原子核周圍這裡,又立即從這裡消失,隨機又同時出現,呈現隨機的「跳躍」狀態。
核外電子沒有明確的運動軌道,它出現在原子核周圍任意一個地方都是隨機的、不可預測的。然而核外電子有確定的運動規律——離原子核近處,黑點密度大,電子出現機會多、概率大;離原子核遠處,電子出現機會少、概率低。這就是微觀領域中的不確定性。這就是典型的量子世界的運行邏輯,那麼地與眾不同。
薛丁格的貓,向我們直觀展示了量子世界的奇妙。量子世界的物理邏輯,和宏觀世界存在著巨大的不同。量子世界存在的諸多現象,和人們平時認知的常識,是大相逕庭的。同樣著名的「光子雙縫干涉實驗」,也為我們了解量子世界的奇妙之處提供直觀的展示。
量子力學中有太多違背常識的地方。微觀世界的物理學,比我們想像的更加精彩絕倫,科學家們孜孜不倦地探索,正使得量子狀態下的世界和科學理論更加清晰、直觀地展示在世人面前,並為人類造福。
「有趣、神奇的物理現象,共同構成了大千世界豐富萬分、魅力無限的精彩生活。」