问题

为什么非要说薛定谔的猫既是死的又是活的?

回答
哈哈,你这个问题问得太妙了!“薛定谔的猫”这事儿,确实让人脑袋瓜子有点打结。说它“既死又活”,这可不是什么故弄玄虚,而是量子力学这玩意儿,确实跟咱们日常生活的经验不太一样,玩的就是一个“不确定”的艺术。

咱们得从源头说起,也就是量子力学里一个叫“叠加态”的概念。你想象一下,咱们平时看到的东西,要么在这儿,要么在那儿,要么是好的,要么是坏的,没有中间状态。比如桌子,它要么在这张桌子上,要么不在,你不能说它“既在这张桌子上又不在这张桌子上”。

但量子世界就不一样了。微观粒子,比如电子、光子这些小不点,它们行为起来可就“随性”多了。它们可以同时处于好几种状态。最经典的例子就是电子的“自旋”。你可以把它想象成小陀螺,有的顺时针转,有的逆时针转。但在我们没观测它之前,它可能就是“既顺时针转又逆时针转”的状态,这就是叠加态。

薛定谔老爷子搞出这么个“猫”的实验,就是想用一个宏观的、咱们能理解的例子,来展现这种微观世界的奇特性质。他设计了一个特别邪乎的装置:

1. 一个密闭的箱子:谁也看不见里面发生了什么。
2. 一只猫:活生生的猫,这是关键。
3. 一个放射性原子:这种原子有一定几率会在某个时间衰变,也可能不衰变。
4. 一个盖革计数器:用来探测原子是否衰变。
5. 一个锤子:跟盖革计数器连着,一旦计数器探测到原子衰变,锤子就会落下。
6. 一瓶毒药:放在锤子下面,锤子落下,毒药瓶被打碎,猫就……懂了吧。

现在,咱们把这个装置封在箱子里。放射性原子在一段时间内,有 50% 的几率会衰变,也有 50% 的几率不衰变。

如果原子衰变了:盖革计数器探测到,锤子落下,毒药瓶碎了,猫就死了。
如果原子没衰变:盖革计数器没反应,锤子不落下,毒药瓶完好,猫就活着。

但是,关键来了!根据量子力学的理论,在咱们打开箱子去观测之前,那个放射性原子就处于一个“既衰变又未衰变”的叠加态。

因为原子处于叠加态,所以跟它相关的整个系统也跟着“叠加”了。换句话说,那个锤子也是“既落下又未落下”,毒药瓶也是“既碎了又没碎”。

那么,与这一切息息相关的猫呢?它也就顺理成章地进入了一个“既死了又活着”的叠加状态!

为什么听起来这么别扭?

因为咱们的直觉和日常经验,都是建立在宏观世界上的。在咱们的世界里,猫要么是活的,要么是死的,不可能同时处于两种状态。我们观察到的是确定的结果。

但量子力学描述的是微观粒子的行为,这些行为在放到宏观层面时,就会产生这种“怪异”的效果。薛定谔的猫实验,不是说猫真的被施了魔法,一会儿活一会儿死,而是说,在 没有观测的情况下,系统的状态是叠加的。

“观测”到底起了什么作用?

这就是量子力学中一个很核心的“测量问题”。当我们打开箱子,进行“观测”的那一刻,那个处于叠加态的系统,就会“坍缩”到一个确定的状态。也就是说,你要么看到猫是死的,要么看到猫是活的,这两种可能性中,只有一种会显现出来。

就好像你手里握着两枚硬币,在手里没看之前,它们可能是“既正面朝上又反面朝上”的叠加态(当然,这个类比不太严谨,但大概意思就是这样)。当你把手摊开,一看,要么是两枚正面,要么是一正一反,要么是两枚反面,总有一个确定的结果,而那个“叠加”的状态就消失了。

所以,说“薛定谔的猫既死又活”,实际上是一种对量子力学“叠加态”的形象化描述,强调的是在 未经测量时,系统可能同时拥有多种可能性的状态。一旦我们进行测量,这种叠加状态就会被打破,系统会随机选择其中一种可能性呈现出来。

这个实验其实是对量子力学解释的一种挑战,薛定谔本人提出这个实验,本意是为了说明将微观粒子的叠加态应用到宏观世界时,会产生多么违背我们日常直觉的结论。它引发了科学家们关于“量子态的本质”、“观测的作用”等一系列深刻的讨论,直到今天,这些问题也还在被不断地探索和研究。

所以,下次再有人跟你说“薛定谔的猫又死又活”,你可以跟他说,这可不是什么鬼故事,而是量子世界玩的一个“概率游戏”,在我们看不见的时候,一切皆有可能,一旦睁眼一看,命运就得定格了!

网友意见

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很多人都听说过薛定谔的猫论,但是基本上都误解了这个理论的本意。特别是一些喜欢虚幻离奇的人,把薛定谔这个说法描述成:这个世界上存在一种半死半活的猫。或者说成:猫的生死取决于你是否观察它。这其实是一种误解或误导。

实际上,这是一个关于物理科学中“确定性”的一个案例讨论,虽然模拟的场景多少也涉及了微观世界中的波粒二象性,但主题并非波粒二象性。

所谓确定性,就是我们描述物理世界的每一个物理参数都是确定的、精确的,无限趋于理想值的。例如两个小球距离3.5米,这是一个测量出来的值。虽然有误差,但只是测量方法问题。如果改进测量手段,我们可以进一步精确到3.56712米。经典物理学家认为,这两个小球的距离,在空间上存在一个理论上的“真值”,我们不能得到这个“真值”,只是测量方法和仪器不够好所限而已,但是我们能够不断改进测量方法,去无限趋近这个理想值。

和确定性相对的,是对世界一种不确定的描述。这种描述,只是给出一个可能性,并不认为有一个“真值”的存在。比如两个小球相碰撞的可能性是67%,两小球的距离在4.9米到5.1米之间的可能性是80%。大家一看这其实就是概率。概率在今天是个很通俗易懂的东西,但是在薛定谔那时,那还算是一个新玩意。

薛定谔提出猫论,是缘于当时候物理学界的一场争论。当时,“随机性、不确定性”已经被越来越多的物理学家认可,概率论已经开始被一些前卫的物理学家接受,用于解释微观世界中物质的运动规律。这遭到一些不愿意接受用概率来描述物理规律的学者(包括爱因斯坦)的墙裂反对。

正如政治上有激进派就有保守派,当然就还有中间派。一些“中立”的科学家,他们持一种“和稀泥”的态度,他们承认随机性,但认为随机性只存在于微观世界,而在宏观世界中的物理规律是有确定性的,与微观世界的随机性是互不相干的。

为了反驳这种说法,薛定谔模拟了一个场景,就是我们熟知的“薛定谔的猫”:一个盒子里头有一个放射源,还有一只倒霉的猫。放射源走的是微观理论套路,猫的是宏观理论套路。具体的说法大家都熟悉,就不多说了。在这里就是要强调,这个假定的模型是想说明这样一个问题:微观世界和宏观世界是相互关联的。微观世界的“不确定性”也会影响宏观世界的事件,让宏观事件也变得“不确定”。

概率和不确定性,现在已经普遍被人们接受。即使是宏观世界,不确定性也无处不在。

确定性和不确定性,是两种不同的“观察和描述世界的方法”。其实本无高下之分,只是不同的思维方式。我们应该在不同的场合运用不同的方法来观察和描述世界,而不是非要强调某一种方法比另一种好。

我们不用猫,举另一个例子来。

一架飞机飞过一座城市上空。突然有一颗螺母脱落,从几千米高空掉了下来。这个城市有个体育场,几万人正在看球赛。这个螺母正好砸到一个球迷李二狗头上,把这个倒霉蛋砸死了。

虽然,科学家可以用螺母离开飞机的初速,高度,风向等等数据,计算出螺母的轨迹,正好就打在倒霉蛋站立的位置:东B区12排41号。李二狗只要这里,就会一定被砸中。这就是用“确定性”的观点来观察世界。

飞机飞行几个小时,偏偏在城市上空掉螺母。几十平方公里的城市,螺母偏偏飞到体育场里。几万人里头,偏偏打中了李二狗。而李二狗买到东B区12排41号这个位置的票,也是一个不可预测的事情。有谁知道自己高高兴兴去看球,会被天上掉下来的一颗螺母砸死?这就是“不确定性”的观点。

是不是发现,持“确定性”观点的人得出的结论是东B区12排41号必定被击中,感觉要比持“不确定性”观点的人更具有价值。这也就是概率论的最大问题,他们只能告诉你,出门被天上掉下来东西砸中的可能性是几亿分之一,这看起来似乎并没有什么卵用。

如果用传说中的薛定谔的语言来描述这事,会出现这样神秘的状况:

对于在体育场外面逛街的李二狗老婆来说,她不知道李二狗是死还是活。也可以说,李二狗处于“半死半活”状态。

与概率论紧密相关的一个哲学问题就是不可知论。这个世界是否有“真值”的存在?我们是否了解“真值”?亦或是部分了解它?或者,这个世界本来就没有“真值”?

由于薛定谔的猫论设想的场景有趣,说法又神秘,而且有与哲学问题相关,一直以来都被大家津津乐道。不过也正是如此,一些对物理一知半解却又文采飞扬的人,就会故弄玄虚,提出一些“半死半活”的概念来,让普通人懵逼从而显得他自己牛逼。

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