薛定谔的猫:猫到底是生是死?为什么每个人都想杀死它?

原标题:薛定谔的猫:猫到底是生是死?为什么每个人都想杀死它?

科学中很少有像薛定谔猫那样著名的思想实验,尽管大多数人尝试过之后都无法向你解释。这并不是说思想实验的含义是不透明的。事实上,思想实验的含义是几乎每个人都知道的一件事:薛定谔的猫既是活的又是死的

但这甚至意味着什么?什么样的逻辑链可能导致这种结果?幸运的是,你不需要物理学学位就能理解薛定谔在他的思想实验中得到了什么,甚至爱因斯坦也称赞薛定谔为量子力学中一些更令人困惑的部分设计了如此简单的说明。简而言之,薛定谔的猫思想实验并不像许多人认为的那么复杂,正确理解薛定谔的猫是掌握奇异量子物理学领域基本特征的重要部分。

薛定谔是谁?

埃尔温·薛定谔(Erwin Schrdinger)是一位获得诺贝尔奖的奥地利物理学家,他在发展量子理论的许多基本方面发挥了重要作用。除了著名的思想实验之外,薛定谔最著名的还是他的波动方程,它用于计算量子系统在不同时间点的波函数。

尽管薛定谔在其形成过程中发挥了如此重要的作用,但他并不总是同意他的量子理论家同行。事实上,他们为量子力学提出的许多想法对薛定谔来说听起来很荒谬,尤其是量子力学最著名的特征之一:叠加

什么是量子叠加?

量子叠加是量子力学的一个特征,其中一个粒子可以存在多个量子态,只有测量一个粒子才能确定它的确定状态。可以理解的是,这在物理现实之下增加了一层,这让许多人觉得这要么违反直觉,要么令人痛苦的显而易见。

一方面,说在测量之前无法确定粒子的状态,这似乎并不具有革命性。在你测量之前你也无法确定你的身高,那有什么大不了的?两者的区别在于,你有一定的身高,不管你量不量。如果你的身高具有叠加的量子特性,那么在测量之前你根本就没有确定的身高。

一般来说,你将有完全均匀的机会处于任何给定的可测量状态,所以如果我们将其限制在1.7米范围内,你将有十二分之一的机会达到1.73米高,1.75米高,依此类推。但在我们测量你之前,你不会达到这些高度。后一部分与我们自己的生活经验相悖,因为我们在日常生活中从未遇到过以这种叠加方式存在的东西。当你的规模下降到足以处理单个原子甚至更小的粒子时,叠加不仅是可能的,而且几十年来一次又一次地得到验证。

什么是‘哥本哈根解释’?

量子力学的哥本哈根解释并不是一个具体的东西,而是与量子力学的两位主要创始人尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)和维尔纳·海森堡( Werner Heisenberg)密切相关的一系列关于量子理论的想法。

对我们来说重要的是玻尔在 1930 年代假设的想法,即量子粒子和用于测量该粒子的仪器不会相互独立,而是在进行测量的过程中密不可分。这导致了一个普遍的概括,即粒子“知道”它正在被监视,并通过定义其状态来响应观察者的存在,以便对其进行测量。这直接与经典物理学和逻辑的基本原理相矛盾,正是这一点让薛定谔感到困惑,以至于他开发了他著名的思想实验来证明这个想法是多么荒谬。

什么是薛定谔的猫思想实验?

为了证明一个粒子不能在量子水平上与观察者联系起来,薛定谔设计了一个几乎看起来像邪恶的思想实验。

它是这样的:你有一只猫在一个完全密封的盒子里,不受外界任何观察。里面是一种涉及盖革计数器、毒物和放射性原子的装置。受量子规则支配,其原子可能会或可能不会在一小时内以相同的概率进入衰变状态。如果一个原子确实衰变了,盖革计数器会检测到辐射并触发锤子打开毒药瓶,杀死猫。如果没有原子衰变,那么猫就活着。

但是,由于叠加原理,物质既可以衰变,也可以不衰变,所以盖革计数器既是砸瓶又是不砸瓶,薛定谔的猫既是活的又是死的,都是同时发生的。因此,哥本哈根的解释意味着,只有在打开盒子观察到实验后,才能决定衰变或不衰变的量子态,所以只有在打开盒子之后,里面的猫的真实命运才能确定。

一只猫怎么可能同时活着和死去?

这个问题正是薛定谔的思想实验所要解决的问题,以此来证明主流的量子力学的哥本哈根解释一定是错误的。我们不能同时认为一只猫既活着又死了,但如果解释告诉我们是这种情况,那么它一定是不正确的,因此薛定谔和其他‘哥本哈根解释’的反对者认为它正在偏离科学并进入哲学和形而上学的世界。

需要做出的一个重要区别是薛定谔并不是说量子叠加是不真实的,他试图说明实验的人类观察者不是决定因素,因为几乎任何物体与叠加中的粒子的任何相互作用都可以算作量子意义上的观察。早在人类打开盒子之前,盖革计数器就已经决定了薛定谔猫的命运。

其实爱因斯坦谈到“上帝不与宇宙掷骰子”时,他指的是这个。事实上,他在 1950 年写信给薛定谔时反问:“猫的状态是否只有在物理学家在某个特定时间调查情况时才能创建?”

最后要说的是,量子态崩溃不仅仅是由有意识的观察者驱动的,而‘薛定谔的猫’只是一种突显量子理论奇异之处的思想实验,旨在让这一事实更加明显,将观察者驱动的概念简化为荒谬。不幸的是,我们这个时代的许多科普作家继续传播这样一种误解,即量子态(以及现实本身)是由有意识的观察者决定的。所以现在你知道了薛定谔猫背后的真实故事,但不用担心,量子力学已经够奇怪了,不必求助于猫科动物的多元宇宙。

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