问题

如何用简单的语言解释「薛定谔的猫」?

回答
想象一下,咱们来玩一个脑筋急转弯,就叫“薛定谔的猫”吧。这名字听起来挺玄乎的,但其实是想说明一个有点颠覆我们日常认知的东西。

咱们先来准备一个特别的箱子,这个箱子是完全封闭的,外面一点儿也看不到里面。然后,咱们往箱子里放一样东西,那就是一只猫。

除了猫,箱子里还有一个小机关。这个机关有点意思,它包含一个放射性原子,一个盖革计数器(这个东西是专门检测放射性物质的,一旦检测到放射性粒子,它就会发出信号),还有一个锤子,最后还有一个装着毒药的小瓶子。

这个机关是这么运作的:放射性原子有一定几率会衰变,发出一个放射性粒子。如果它衰变了,盖革计数器就会检测到,然后触发锤子,锤子会打碎那个装着毒药的小瓶子,毒药释放出来,猫就会……嗯,你懂的。

关键来了,这个放射性原子衰变的时间是完全随机的,我们无法预测它什么时候会衰变。可能下一秒就衰变了,也可能过好几天都不衰变。

现在,咱们把箱子盖紧,然后等着。根据我们平常的理解,箱子里的猫要么是活着的,要么是死了。对吧?它要么没接触到毒药,要么接触到了。

但是,量子力学(就是研究非常非常小的东西,比如原子、粒子那一套理论)却说,在箱子被打开之前,情况有点不一样。

量子力学认为,那个放射性原子,在它“被观测”之前,并不是“已经衰变”或者“还没有衰变”这两种确定的状态。它处于一种“叠加状态”,也就是说,它既是衰变了,又没有衰变。

而因为猫的生死跟这个原子是否衰变是绑定的,所以,在箱子被打开的那一刻之前,这只猫也处于一种同样奇怪的“叠加状态”。

它既是活着的,又是死了的。

是不是听起来很离谱?就好比你手里拿着一个硬币,在它落地之前,你不能确定它是正面还是反面。但量子力学说,在你真正看到结果之前,那个硬币可能同时是正面又是反面。

“薛定谔的猫”这个思想实验,就是用一个我们能直观理解的“猫”的生死,来类比量子世界里那些小到我们看不见的粒子的那种“叠加”状态。

直到我们打开箱子,去“观测”里面的情况,那个叠加状态才会“坍缩”到一个确定的结果。也就是说,我们打开箱子一看,猫要么是活的,要么是死的,不会再是“又活又死”了。

这个实验的重点,其实不是说真的有一只猫会在箱子里又活又死,而是要引出关于“观测”在量子力学中的作用。在量子世界里,很多事情在我们去“看”它之前,它可能同时存在于多种可能性中,一旦我们去观测,它就会“选择”一个结果呈现给我们。

所以,简单来说,“薛定谔的猫”就是一个用猫的生死来比喻量子粒子在被观测前,处于多种可能性叠加的状态。箱子没打开,猫就处于“既死又活”的叠加状态;箱子一打开,我们看到猫是活的,或者猫是死的,这个叠加状态就消失了。

这个思想实验,就是为了让我们思考,在微观的量子世界里,那些我们无法直接感知的事情,和我们日常生活的宏观世界,在“确定性”和“可能性”上,到底有什么不同。

是不是有点烧脑?但这就是它神奇的地方。

网友意见

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我来试图用更简单的语言解释它。


哥本哈根学派:粒子的形态受到观测者的主观意识影响,当你不观测时它是两个状态的叠加,观测时波函数坍缩成为某个特定状态。

薛定谔:你放P!我用粒子的状态在黑箱内驱动毒气喂给猫,岂不是能制造一只又死又活的猫?你不觉得你的说法很荒谬吗?


明白了?薛定谔制造了薛定谔的猫这个思想实验,是为了反讽「哥本哈根学派的量子解释有多么离谱」,猫的生死状态竟然取决于人类的主观意识是否观测,这不是离了大谱?

薛定谔的思想实验就是为了反讽。记住这一点就行了。

而且他们之间的争论其实现在主流学界已经有了基本确定的结论:修改「观测」这个词为「测量」可以比较完美的解决哥本哈根学派与薛定谔两者的矛盾。于是这个思想实验在今天已经不再具有原先的价值了。

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https://www.zhihu.com/video/1129583919401660416

对于单个粒子通过双缝也能自己干涉,并且通过测量观察时,粒子态发生“不可思议”变化的现象,物理学家们各有解释。


波尔:个实验可以展示出物质的粒子行为,或波动行为;但不能同时展示出两种行为。

海森堡:你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度。(不确定性原理)

薛定谔:这个很简单,我用我的波函数就能表达!(薛定谔方程式)

波尔、海森堡:但你依然无法解释测量动作带来的粒子变化,我们坚定地认为,测量的动作造成了波函数坍缩,原本的量子态概率地坍缩成一个测量所允许的量子态。(哥本哈根诠释)

爱因斯坦:上帝不会掷骰子!(怎么可能出现坍塌,一定有一个未发现的连续过程)

薛定谔:我完美的薛定谔方程式怎么可能坍塌!绝对不可能!(物质不可能同时处在是和非的两种状态,然后再经过观察坍缩成一种状态)

薛定谔:老爱,你怎么看?

爱因斯坦:你直接用宏观世界的火药解释就可以了,这个世界不可能存在介于爆炸和未爆炸之间的火药。(波尔、海森堡他们的理论不攻自破)

薛定谔:火药解释很不错,不过我不喜欢,我决定让我的猫来!

爱因斯坦:我正在忙大统一理论,一会儿帮你看看。

薛定谔:老爱,你看看这样可行不?

密闭的铁匣子里放着一个盖革计数器和少量的铀,因为量非常少,所以很可能一个小时内有一个原子衰变的概率和没有衰变的概率一样。当第一次衰变发生时,通过继电器,装置会释放锤子砸碎一瓶氢氰酸。另外残忍的是,还有一只猫设被关在这个铁匣子里 。

爱因斯坦:你这个想法不错,符合你的函数方程式,你可以发表一篇论文。

薛定谔立马回头写论文,并进行发表。并阐述了,按照经典的情况,猫只有生或者死两种情况。但是根据波尔他们的解释,原子是处在衰变和不衰变之间的状态,那么毒药就是处在既释放又没有释放的状态,那么猫也就处在既是生也是死的状态!

薛定谔:波尔、海森堡!你们出来!你们还有什么话可说?按照量子力学的解释,箱中之猫处于“死-活叠加态”——既死了又活着!要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。(你们厉害啊!最后开箱子把猫看死或者看活,这和宏观世界是互相矛盾的!根本不可能出现这样的猫。猫是死就是死,是活就是活,怎么可能处在死和生的叠加态!所以,我的薛定谔方程式不可能坍塌。)

波尔:你这个宏观解释很不错啊!

海森堡:我们正好可以拿过来诠释我们的量子力学理论!

泡利:真太妙了薛定谔,你的猫就是处在即是生,又是死的叠加状态。

狄拉克:薛定谔的猫,真是妙妙妙。宣传量子态,世界全知道。

薛定谔:!!!

爱因斯坦:算了,不要和他们这些不讲理的人解释。你要相信,哥能搞出大统一理论。

薛定谔:风萧萧兮易水寒……

从此以后,这个世界多出现了一种猫:薛定谔的猫。


21世纪的今天,小明向女朋友求婚。

他不知道女朋友答应还是不答应,那么女朋友就处在既是答应也没有答应的状态。

于是,她便是:薛定谔的女朋友。

薛定谔:???


如果理解了薛定谔的猫,再来看看下面两个问题,就具有更多的玩味性了。这里就不表达更多的看法了,有兴趣可以看一看两个问题中大佬们的回答。

如何看待 Nature 在 2019 年 6 月初的文章称首次观测到量子跃迁过程?

耶鲁大学最新发表在Nature上的一项研究表明,我们能够计算出某个时间量子跃迁发生的概率,从而预测“薛定谔的猫”的命运。实验首次捕捉到了跃迁中的量子系统,这意味着量子跃迁并非玻尔和海森堡所认为的完全随机、瞬时发生的过程,而是更符合薛定谔的波函数理论。(摘自微信公众号《科研圈》)。

量子力学不确定性是否被推翻?如果是真的,这意味着什么?

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心外无物。心外无理。在观察者没有参与进来之前,一切都没有存在。

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