陳忱:薛定諤的貓理論
我們?nèi)祟惪偸菚ξ粗纳锘蛘呤虑楦械娇謶?,因?yàn)檫@些東西是我們眼睛看不到的,所以在我們的大腦中它們就會有很多種形態(tài)生成,或是恐怖的或是憨態(tài)的,不管是哪種構(gòu)思似乎都沒有錯,因?yàn)檫@種未知的東西本身就是一種抽象的存在,這就是著名的“薛定諤的貓”理論,在我們的生活中很多事情都可以用這個名詞來表示。
存在即是被感知——薛定諤的思想實(shí)驗(yàn)
首先思想實(shí)驗(yàn)是指使用想象力去進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),所做的都是在現(xiàn)實(shí)中無法做到(或現(xiàn)實(shí)未做到)的實(shí)驗(yàn)。這個實(shí)驗(yàn)由奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤,在1935年基于量子力學(xué)提出。
薛定諤將一只貓、少量的鐳(存在50%的衰變概率)和氰化物(毒藥)、量子探測裝置和一把錘子,放在一個不透明的箱子中。此時的貓?zhí)幱诨钪臓顟B(tài),如果鐳發(fā)生衰變,就會放射出粒子。此時粒子探測器就會進(jìn)行接收,然后發(fā)出信號,觸發(fā)錘子的機(jī)關(guān),錘子打碎裝有氰化物的瓶子,最后導(dǎo)致貓被毒死。而如果鐳不衰變,那么機(jī)關(guān)就不會被觸發(fā),貓就不會死。但是由于鐳的衰變幾率是50%,我們不確定它是否會衰變。
即便是我們將其替換為一個會在一天內(nèi)衰變的放射性原子,但我們也不知道這個原子會在一天中的哪一個時間衰變,也就是說我們在每一個時刻都無法確定這只貓是死是活。
除非我們將箱子打開,進(jìn)行確認(rèn)。但是這個時候貓的死或活的狀態(tài),就被我們的這一行為所決定了。在薛定諤看來,如果我們不揭開箱子,那么貓的狀態(tài)就一直處于“死-活疊加態(tài)”中,但是一旦揭開,它的狀態(tài)就被決定了。
舉例來說:在你看月亮之前,月亮是任意可能的狀態(tài),比如說滿月、半月、新月等。但是只要你一看,月亮就會坍塌到一種可能的狀態(tài)。因此,觀測這種手段,在量子力學(xué)中扮演著重要的角色??紤]上面的思想實(shí)驗(yàn),這意味著過了一段時間之后,貓同時活著和死去。當(dāng)你向盒子里面看的時候,這瞬間你就會看到貓是活著或是死了,而不是既死去又活著。
觀測行為真的能影響貓的生死嗎?我們不能確定,但這里的“不確定”并不是量子力學(xué)中的“不確定性”。雖然我們不知道硬幣是正面還是反面,但其實(shí)正面還是反面是確定的,只不過我們不知道而已。只需要觀測一下就知道了。
不同之處就在于此。宏觀世界里,你的觀測行為并不能影響硬幣到底是正面還是改變,無論你觀測與否,硬幣的狀態(tài)都早已經(jīng)確定下來了。不是正面就是反面,正面反面的概率都是50%,這是經(jīng)典物理的解釋。
但在量子世界里,在你觀測之前,硬幣的正反面是真的不確定,只能用概率來描述。按照量子力學(xué)詮釋,不確定性是一種內(nèi)在秉性,本身的固定屬性,與觀測沒有任何關(guān)系。宏觀世界里的“不確定”只是因?yàn)槟銢]有看見,所以才不確定是正面還是反面。但是硬幣的正反面在你用手蓋住的那一刻就確定下來了,與你看不看沒有關(guān)系。
但量子世界就不一樣了,由于不確定性是微觀粒子的固有屬性,真的是不確定的。還拿剛才的硬幣舉例子,就相當(dāng)于硬幣在你中不斷地進(jìn)行正反面變換。而當(dāng)你打開手掌的那一刻,硬幣的狀態(tài)就確定了,也就是物理學(xué)上的波函數(shù)坍縮了(這樣通俗的理解其實(shí)并不嚴(yán)謹(jǐn),目的是讓你更好地對比宏觀世界和微觀世界)。
按照量子力學(xué),更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑忈屖沁@樣的:那枚硬幣的反面和正面是同時朝上的!當(dāng)然我們在宏觀世界不可能看到這種現(xiàn)象,但在微觀世界的微觀粒子確實(shí)是真實(shí)存在這種現(xiàn)象的,這就是疊加態(tài)。
到底是意識決定物質(zhì),還是物質(zhì)決定意識?
在哲學(xué)上存在兩個對立的觀點(diǎn),“唯物主義”和“唯心主義”,唯物主義認(rèn)為,物質(zhì)在前精神在后,人類的意識是物質(zhì)宇宙發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物,而唯心主義認(rèn)為,理念和意識才是宇宙的第一性質(zhì),物質(zhì)則是第二性質(zhì)。
在科技如此發(fā)達(dá)的現(xiàn)在,唯物主義是當(dāng)下的主流觀點(diǎn),同時也是科學(xué)發(fā)展得到的結(jié)果,而唯心主義已經(jīng)日益沒落,不過我們今天要討論的并不是誰對誰錯,而是隨著人類對宇宙的認(rèn)知越來越深入,不同尺度下誕生出的矛盾。唯物主義的誕生和人類科學(xué)的發(fā)展息息相關(guān),也是人類探索周圍宇宙得到的結(jié)果,在人類文明發(fā)展的過程中,通過物理學(xué)我們對周圍的世界有了更深刻的認(rèn)知,經(jīng)典力學(xué)的誕生為人類后續(xù)科技的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
可是在科學(xué)發(fā)展的過程中科學(xué)家又發(fā)現(xiàn),經(jīng)典力學(xué)本身是存在很大局限性的,首先,經(jīng)典力學(xué)不適用于物體的高速運(yùn)動狀態(tài),也不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu),更關(guān)鍵的是經(jīng)典力學(xué)本身只在慣性參考系中成立。所以經(jīng)典力學(xué)只適用于宏觀和低速的狀態(tài)下,恰好人類生活的世界就是這樣,如果不借助儀器的話,我們感知不到微觀粒子的存在,同時我們的運(yùn)動速度也不可能接近光速,因此在日常生活中,經(jīng)典力學(xué)已經(jīng)完全可以解決我們的大部分問題了。