世纪“悬案”:把猫关进箱子再放一瓶毒药 猫会怎么样?

摘要:

你或许听说过“量子力学”这门学科 ,也听人说过“薛定谔的猫”,这是一只被关在盒子里的不同寻常的“猫”,它既可能是“死”的,又可能是“活”的。等等,这是怎么回事?怎么可能有一只猫既是“死”的,又是“活”的呢?

今天恰逢理论物理学家埃尔文·薛定谔诞辰 135 周年,让我们来好好聊聊他这只既“死”又“活”的猫,以及“薛定谔的猫”这近一百年来是如何被人们用错的。


埃尔文·薛定谔,图片来源:Wikipedia

首先咱要声明,薛定谔的“猫”并不是一只真的“猫”,薛定谔没有真的把猫给弄成这状态,那属于虐待动物了。

“薛定谔的猫”其实是薛定谔提出的一个思想实验,而且还是一个使用了反证法、用来驳倒论敌的思想实验:

他认为,如果论敌的说法成立,那就会导致一只猫同时处在死和活的状态,这是十分荒谬的、一看就知道不可能的。由此可见,论敌的说法一定不成立。

换句话说,薛定谔本人并不相信这猫既“死”又“活”。

所以“如薛定谔的猫一样”这句话用来形容一件事情很“荒谬”似乎更贴近薛定谔提出它时原本的意思。

图片来自:pixabay

但薛定谔为啥要费劲设计这么一个思想实验,他要驳倒的论敌是谁呢?是量子力学的哥本哈根解释。

量子力学是诞生于20世纪的新学科,它是主宰微观世界的物理规律。它发现了许多非常反直觉的现象,比如说,一个物理量好像可以是以概率的方式存在的:有时候测出来是一个值,有时候测出来却是另一个值。

这很奇怪。日常生活里,如果你让一个小球旋转起来,那旋转方向是左旋还是右旋应该一眼就能看出来,没有任何疑问。

在量子力学的世界里,你的仪器测量倒也能清楚地给出答案,可是两个看起来完全一样的球,给出的答案却不一样。

如何解释这个现象呢?量子力学里,粒子可以存在于一种“量子叠加”的状态下,也就是可以既左旋又右旋。

而当粒子和外界环境产生关联,比如说被人类测量的时候,哥本哈根解释认为这种叠加态会发生“坍缩”,也就是按照概率变成其中一种具体的状态。

这确实可以解释量子力学遇到的迷惑情况,但总有种欺负人的感觉。

如果一个状态一测量就消失,凭什么还说它存在呢?很多著名物理学家,包括爱因斯坦和薛定谔,都无法接受这个观点。

在和爱因斯坦讨论过几轮之后,薛定谔觉得自己抓住了问题的关键,而薛定谔的猫,就是他对哥本哈根解释的反驳。

他说,想象一下我们把一只猫关进与外面世界完全隔绝的箱子里面,箱子里装一瓶毒药,毒药上连动一个机关,只有被放射线打到的时候机关才会启动,打开毒药的盖子,把猫毒死。

然后,我们把几个放射性原子放在机关边上,等待一小段时间,问猫会怎样?

薛定谔的猫思想实验,图片来源:Wikipedia

放射性原子衰变释放出放射线,这个过程是量子力学掌管的。按照哥本哈根解释,只要不去观察,那么原子就处于衰变和没衰变的叠加态。依此类推,放射线也应该处于有和没有的叠加态,机关也应该处于启动和没启动的叠加态,毒药处于释放和没释放的叠加态。所以,猫也处于死了和活了的叠加态,只有开箱的时候才能见分晓。

薛定谔认为,猫的死活叠加是明显荒谬的,所以反过来可以一路往上推,证明原子的叠加也是有问题的。

不过,这终究还是他的主观观点。毕竟谁也无法真的做出一个与世隔绝的箱子来验证这一点。

猫走动的声音,猫的体温,甚至猫的呼吸引发的气压变化,都能透过箱子传播到外界环境里,都能让人不开箱就测量出猫的死活。

薛定谔的猫这个思想实验提出之后,其他物理学家也纷纷提出了自己的量子力学解释。

例如退相干历史认为,当放射线打到机关上的时候,就是量子态与环境发生作用产生了退相干,紧接着测量和坍缩就已经发生了,和人打没打开箱子没有关系,所以只有原子本身会处于叠加态,猫不会。猫的死活是两个完全独立的历史,互不影响。

甚至还有多世界解释,认为原子衰变的时候其实创造出了两个不同的世界,一个世界里衰变发生了,猫死了,另一个世界里衰变没发生,猫还活着。两个世界尽管大相径庭,却是同一个世界在两个正交方向的“投影”。

到底哪一种解释是正确的呢?因为每个解释最后导致的物理学现象都一样,实验上无法分辨,答案或许已经超出了物理学的范围。

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