问题

薛定谔的猫到底是什么意思?

回答
这儿就好好跟你唠唠,那个叫薛定谔的老先生搞出来的“猫”是咋回事儿。别听那些网上说法玄乎得不行,其实他提这事儿,是为了怼一种当时挺流行的量子力学理论,顺便让你我这凡人,能更直观地理解一下量子世界那股子“不按常理出牌”的劲儿。

你想啊,咱们平时过日子,一件东西要么在这儿,要么在那儿,是死是活,一看就清楚,对吧?你把苹果放桌上,它就在桌上,不会同时又在冰箱里。人嘛,活就是活,死就是死,中间状态可不多。

可量子力学这玩意儿,它研究的不是咱们这大鼻子大眼睛的宏观世界,而是小得不能再小的微观粒子,比如电子、光子什么的。这些小家伙们,一旦进入了量子领域,就变得有点“任性”了。

最让人跌破眼镜的一个概念,叫“叠加态”。简单说,一个量子物体,在被观测之前,可以同时处于多种可能的状态。比如,一个电子,它可能同时“向左转”和“向右转”,或者同时“在这里”和“在那里”。这听起来跟咱们的常识完全是两码事,对吧?咱们可做不到同时出现在两家公司上班。

薛定谔老爷子就觉得,这事儿太离谱了,不能就这么算了。他想了想,要是把这种微观世界的“叠加态”放大到咱们能看见的宏观世界,会是个什么结果?于是,他出了这么一个思想实验:

他找来一只猫,把它关在一个特制的箱子里。 这箱子可不是普通的箱子,里面装了一个特别邪乎的装置:

1. 一个放射性原子: 这个原子啊,有一定的概率在某个时间段内(比如一个小时)发生衰变。这概率是随机的,我们无法预测它到底什么时候会衰变。
2. 一个探测器: 比如一个盖革计数器,它能探测到放射性衰变。一旦原子衰变了,探测器就会被触发。
3. 一个毒气瓶: 这个毒气瓶被设计成,只要探测器被触发,就会立刻打破,释放出剧毒气体。
4. 一只活蹦乱跳的猫: 咱们的主角。

箱子是密封的,外面的人完全不知道里面发生了什么。

好了,问题来了:在一个小时的时间段里,这个放射性原子是可能衰变的,也可能不衰变的。

如果原子衰变了: 探测器被触发,毒气释放,猫就被毒死了。
如果原子没有衰变: 探测器不会被触发,毒气也就不会释放,猫就安然无恙。

现在,关键点来了:根据量子力学的原理,在箱子被打开、我们观察到结果之前,那个放射性原子就处于一种“衰变”和“未衰变”的叠加态。

那么,与这个原子状态紧密关联的猫,又会是什么状态呢?

薛定谔的逻辑是这样的:既然原子处于“衰变”和“未衰变”的叠加态,那么与之相连的毒气瓶就是“打破”和“未打破”的叠加态,而最终的猫,也应该是“活”和“死”的叠加态!

也就是说,在箱子被打开的那一刻之前,这只猫,既是活的,又是死的!

这听起来是不是挺吓人的,也挺荒谬的?你想想,你家猫,在你没看它之前,它是活的还是死的?你肯定会说:“当然是活的,或者我哪天没喂它,它就死了,但它是确定的!”

这正是薛定谔提这个实验的目的: 他想通过这个荒谬的例子,来指出当时量子力学解释中存在的逻辑问题。他认为,将微观粒子的叠加态直接套用到宏观事物上,会产生这种“不确定”和“矛盾”的结果,这与我们的现实经验严重不符。

用更通俗的话说,他是在质疑: 什么时候,这种“不确定”变成了“确定”?是什么让一个同时处于多种状态的事物,变成了一个单一确定的状态?

答案就是“观测”。

在量子力学里,“观测”是一个非常重要的概念。当有人去打开箱子,去“看”一眼猫的时候,这个行为本身就被认为是一种“观测”。在观测的那一刻,量子叠加态就会“塌缩”,随机选择其中一种可能的状态显现出来。

你打开箱子,看到猫是活的,那么它在观测前就是“活”的状态。
你打开箱子,看到猫是死的,那么它在观测前就是“死”的。

所以,“薛定谔的猫”并不是说猫真的能同时又活又死,而是用一个生动的例子,来形象地说明量子叠加态的概念,以及“观测”对于量子状态的影响。

这个思想实验,引发了物理学家们长达几十年的争论,关于“什么是观测”、“叠加态何时塌缩”、“量子力学是否完备”等等,直到今天,仍然有不同的解释和理解。

总而言之,薛定谔的猫,就是一场关于量子世界“不确定性”和“观测作用”的哲学与物理学的精彩辩论,只不过他选择了猫这个大家都能懂的形象,来帮我们思考这些深奥的问题。它揭示了微观世界和宏观世界在认知上的巨大鸿沟,以及我们理解这个宇宙所面临的挑战。

网友意见

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https://www.zhihu.com/video/1127363025153359872

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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