薛定谔的猫是科学史上最著名的思想实验,围绕它的争论直到现在也没有结束。这是量子力学应用到宏观世界时的一个神奇悖论。
叠加态我们知道:量子世界很神奇。在量子世界中,确定性被概率所取代。无论粒子的位置、能量、速度,都处于不确定状态。
比如氢原子是由一个原子核和原子核外的一个电子组成的,电子会绕着原子核高速运动。玻尔最初解释氢原子时,认为氢原子的电子具有不同的轨道。但是他发现这个理论只对氢原子有效,甚至稍微复杂一点的原子都解释不了。后来终于发现电子没有确定的轨道,它在空之间的位置是随机的,于是人们画了一个电子云,表示氢原子中的电子出现在不同位置的概率。
德布罗意提出物质波概念后,波恩通过概率论解释了物质波和波函数的含义:波函数代表了量子系统中某一事件发生的概率。
例如,如果波函数ψ(r,t)代表一个随位置r和时间t演化的波函数,那么|ψ(r,t)|的平方代表在位置r和时间t发现粒子的概率,玻尔等人认为这种观点是正确的,人们把这种对波函数和量子力学基本问题的解释称为哥本哈根解释。
更神奇的是,由于量子系统的概率解释,在没有观测的情况下,我们无法确定一个例子的位置、速度等信息,因此量子系统处于叠加态。比如一个粒子可能位于A或B,处于A和B的叠加态;原子核可能衰变,也可能不衰变,这是由于衰变和未衰变状态的叠加。
如果我们想知道这个粒子是在A还是B,或者一个原子核有没有衰变,就需要观测它。我们可能会发现粒子在A或B,这叫做叠加态,坍缩成本征态。似乎我们的观察会影响结果,因为在观察之前,不确定粒子在哪里,但是在观察之后,粒子立刻选择了A位置或者B位置,这个过程就发生在我们观察的瞬间。从那时起,粒子的状态就被确定了。
这种观点与宏观世界相悖。比如我们去酒吧喝酒,服务员给我们倒一杯酒,可能是啤酒,也可能是葡萄酒。我们可以通过品尝来知道这杯酒是什么。然而,即使我们不去品尝,我们也知道这杯酒一定不是啤酒就是葡萄酒。虽然我们不知道这杯酒是什么,但服务员知道。即使服务员不知道我们什么时候品尝,或者谁来品尝,这杯酒的计量结果也不会有什么不同。所以宏观世界不是叠加状态,而是内在状态。
但是量子世界的酒不是这样的。这杯酒是啤酒和葡萄酒的叠加状态,可能是啤酒,也可能是葡萄酒。不仅现在世界上没有人知道这种酒是什么,而且在不同的时间,不同的人来品尝这种酒,结果可能也不一样。
薛定谔的猫因为量子力学中有太多违背常识的结论,很多人对量子力学产生了怀疑。很多人认为量子力学是一个不完整的理论,它只是更深层的物理结论的一个侧面。这里面包括很多量子力学的创始人,比如爱因斯坦说的“上帝不掷骰子”,薛定谔的猫。
奥地利物理学家埃尔温·薛定谔是量子力学的创始人之一。1926年,他提出了描述量子态波函数随时间演化的薛定谔方程,获得了诺贝尔奖。
然而,他认为量子力学并不是一个完整的理论。特别是宏观世界会出现很多与量子力学相悖的事实。为了更清楚地描述这个事实,他提出了薛定谔的猫,这是物理学家最头疼的思想实验。
把一只猫放在一个密闭的铁容器里,放少量放射性物质进去。这些物质有50%的概率在一小时内腐烂,有50%的概率不腐烂。如果该物质衰变,附近的探测器将检测到它,这将通过一个设备启动一个锤子。锤子会打碎装有有毒物质的瓶子。如果瓶子里的有毒物质扩散到容器里,就会毒死猫。如果物质不腐烂,那么有毒物质就不会扩散,猫就活得好好的。
因为量子系统处于叠加态,人不打开盒子的时候,这些放射性物质处于衰变和不衰变的叠加态,这就使得猫处于一种既生又死的叠加态。只有打开箱子进行观察,在这一瞬间,叠加的状态会瞬间坍缩成现在的状态,猫会立刻从一个死而复生的状态变成一只活着或者死去的猫。
可能有人会想:不开箱也没关系。我们可以在盒子上安装一个玻璃来观察这只猫。要知道任何观察都会影响实验。例如,当我们安装玻璃时,我们可以看到内部。这是因为光射入盒子,然后反射出去。这些光子会影响量子系统,所以我们无法完成实验。猫要处于真正的叠加状态,必须不受任何外界干扰,人是无法观察到它们的。
这只猫的出现把物理学家逼疯了。人们几乎相信量子力学和哥本哈根解释,但这个美好的愿望被一只猫打碎了。
薛定谔通过这个实验向世人说明,量子力学只是更深层物理原理的一面。
“有些人认为量子力学是一张云的照片,但它实际上可能是一张不稳定或失焦的照片。”
平行世界。那么,薛定谔的猫应该如何解释呢?现在科学界没有统一的看法。一些科学家甚至提出了许多神奇的理论来解释它。
1957年,科学家休·埃弗雷特提出了著名的“多世界解释”。他认为,薛定谔的猫实验进行时,盒子里有两个世界。盒子外面的两个世界是一模一样的,只不过一个世界有只死猫,另一个世界有只活猫,但是两个世界是交织在一起的。当我们打开盒子进行观察的时候,两个世界就分开了,从此各自成为一个新的世界,互不影响。
这个想法多神奇啊!科幻作家对此欣喜若狂,大量科幻小说和电影用这一理论演绎平行世界的精彩故事。比如《彗星来了的夜晚》就是一部好电影。
但是这个想法太不可思议了,大多数科学家都不愿意承认。薛定谔的猫仍然是一个无法完全理解的怪物。
量子力学是一个完整的理论吗?人们对此仍有许多争论。著名物理学家、诺贝尔奖获得者、最幽默的物理学家费曼曾经说过:“我想我可以有把握地说,没有人懂量子力学!”