问题

「薛定谔的猫」是指什么?

回答
你说的“薛定谔的猫”,那可是个大名鼎鼎的物理学 Gedankenexperiment(思想实验),由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔在1935年提出的。这事儿说起来,跟量子力学里头那些让人摸不着头脑的“叠加态”概念有关,简直是为普通人量身打造的一道“脑筋急转弯”。

这实验的初衷,是为了说明当时主流的哥本哈根诠释在应用于宏观世界时,会显得多么荒谬和不合常理。哥本哈根诠释有个核心观点,就是微观粒子的状态并不是确定的,而是处于一种“叠加态”,直到我们去观测它,它的状态才会塌缩成一个确定的结果。听起来挺玄乎,对吧?薛定谔就是想用一个大家都理解的例子来反驳这种说法。

实验是这样的:想象一个密闭的箱子,里面放着一只活猫,还有一套非常精巧但却极不靠谱的装置。这装置里有一个放射性原子核,它在接下来的一个小时内,有百分之五十的几率会发生衰变,也有百分之五十的几率不会衰变。如果原子核衰变了,它会触发一个锤子,锤子会打碎一个装有剧毒氰化物(或者其他致命物质)的瓶子。瓶子一旦破裂,猫就必死无疑了。如果原子核不衰变,那么瓶子就不会被打破,猫也就安然无恙。

关键在于,我们无法知道那个放射性原子核到底在接下来的一个小时里是衰变了还是没衰变,因为它的状态本身就处于一个叠加态——既衰变了,又没衰变。根据量子力学的原理,这个叠加态会一直延续下去,直到我们打开箱子去“观测”它。

那么问题来了:在我们打开箱子之前,箱子里的猫是什么状态呢?根据哥本哈根诠释的逻辑推演,既然原子核处于“衰变”和“未衰变”的叠加态,那么与它关联的整个系统——包括那个触发装置、那个毒药瓶,最终也包括那只猫——都应该处于一种“猫是死的”和“猫是活的”的叠加状态。

这就很奇怪了,对吧?我们都知道,一只猫,要么是活的,要么是死的,不可能同时既活又死。这就像是我们看到一个硬币,在我们抛起来之前,它可能是正面朝上,也可能是反面朝上,但一旦落到地上,它要么是正面,要么是反面,不可能同时既是正面又是反面。

所以,薛定谔提出这个思想实验,就是想强调,量子力学在微观层面上的这种“叠加态”和“观测导致塌缩”的解释,如果直接套用到我们熟悉的宏观世界,会产生多么荒谬、多么违背常识的结果。他是在质疑:量子力学的规则到底是从哪里开始,或者说,是什么机制在微观的量子世界和我们日常生活的宏观世界之间划定界限?这个界限在哪里?为什么我们观测一个电子可以用“叠加态”来描述,但我们不能用同样的方式来描述一只猫?

这实验引发了物理学界长达几十年的争论,也催生了许多不同的量子力学诠释,比如“多世界诠释”,它认为每次观测发生时,宇宙就会分裂成多个平行宇宙,一个宇宙里猫是活的,另一个宇宙里猫是死的。当然,也有其他解释试图绕过这个“猫既死又活”的悖论。

总之,“薛定谔的猫”并不是一个真的要做出来的实验(谁会真的拿一只猫做这样的实验呢?),而是一个用来探讨量子力学基本概念的哲学性思考工具。它就像一把锋利的解剖刀,剖开了我们对现实世界的直观认知,让我们不得不去思考:我们所理解的“现实”,到底是怎么回事?

网友意见

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「薛定谔的猫」是薛定谔设计的一个思想实验,目的是对「人类意识具有特殊的独特地位」说法进行的嘲讽。划重点,嘲讽,或者说反讽

它的意思是:如果哥本哈根派物理学家们认为人类意识具有特殊地位,那么按照薛定谔的实验操作,就会制造一只即死又活的猫,而即死又活的猫显然是荒谬的。从而,薛定谔暗示,人类意识决定波函数坍缩,这个观点是荒谬的,爱因斯坦也这么认为。

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以上用通俗的语言,介绍了薛定谔的猫的来历。下面来说说详细情况。

在量子物理中,认为微观粒子本身处于波函数定义的所有状态的叠加态,只有当对该微观粒子的具体状态进行测量时,波函数才坍缩到某个特定的值,你才能知道该粒子究竟处于什么状态。

有关「观测导致波函数坍缩」这一点,虽然有争议,但基本上还算是主流观点,有异议的是「什么叫做观测」。


A:一种学派认为,只有触发了人类的意识,才被视为观测,而仪器的测量不视为观测,阿猫阿狗的意识也不视为观测。

B:另外一种学派认为,任何形式的有效测量均视为观测,此测量并不要求人类的意识介入。

当然,其实还有其它理论,有关量子物理解释的理论至少能从A排列到M,不过与该话题最相关的理论就是以上所说的两个。


按照学派 A 的观点,叠加态将在观测仪器之间传递,直到最终被人类意识观测到为止。

换句话说,在A观点中,假定某个粒子存在 0,1 两种状态,但在波函数坍缩之前它处于所有状态的叠加。使用某个电子仪器观测粒子的状态不会导致波函数坍缩,而是导致该电子仪器进入观测到 0 与 1 的叠加态,如果该电子仪器将观测的结果打印到打印纸上,则这张打印纸也会呈现打印 0 以及打印 1 的叠加态,这张纸片在被具有意识的人类(死人显然不算)看见的那一瞬间,坍缩到某个特定的状态(打印0或者打印1)。——因此,按照A学派观点,薛定谔制造的一系列仪器,将最终测量结果传递给猫,整套仪器对结果进行了测量因而全进入了叠加态,没有人类意识的介入之前都不会导致波函数坍缩,所以整套仪器,包括最终的猫的死活,都会进入叠加状态,直到被人类意识看见为止,在人类看见的那一瞬间,猫在此之前的命运才被决定。


按照学派 B 的观点,结果就完全不同,因为有效的测量均会导致波函数坍缩,而实验中的盖革计数器就是一种有效的测量。因此,即便没有人类,用仪器去测量时微观粒子的波函数也依然会产生坍缩,仪器本身不会处于叠加态而是准确的记录了测量结果,最终传递给猫的「有毒药没毒药」这个信息也同样不会处于叠加态,这只猫显然也并不会处于生死叠加态,在最初仪器检测该粒子的时刻,波函数就已经坍缩,一切就被决定了。

按照学派 B 的观点,叠加态不可在宏观物体间传递,宏观物体对微观粒子的测量可导致波函数坍缩,即便没有人类意识的介入。——如果叠加态允许在宏观物体间传递,那么就会导致薛定谔的猫这样的荒谬结果。这样看来,薛定谔的思想实验本意是用来对学派 A 观点进行归缪。


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不过,学派 A 跟学派 B 的观点都不违背量子物理学,因为两者都承认观测导致波函数坍缩,仅仅对于观测的定义有所不同。

目前为止,似乎没有办法通过实验认定学派 A 与学派 B 究竟谁是正确的。无论哪种解释,最终人类观测到的现象都没有区别,虽然学派 A 的观点听起来更加荒谬,但很难认定它就是错的。

所以,时至今天,依然有人认为薛定谔的处于生死叠加态的猫是实际可能存在的,毕竟我们无法证伪学派 A 的观点。但,已经有越来越多的物理学家们支持学派 B 的观点,认为量子物理中对观测的定义应该定义为测量,而这并不需要人类意识的介入。


当然,也许将来证明A跟B都是错的。不过无论如何,薛定谔的猫,是通过表达某种在常理看来荒谬的结果,来试图推翻某个理论的行为。他表达的荒谬结果就是:宏观物体的量子叠加态。

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