今天要給大家講一個(gè)科學(xué)史上最著名的思想實(shí)驗(yàn)——薛定諤的貓。這是一個(gè)把量子力學(xué)應(yīng)用到宏觀世界時(shí)出現(xiàn)的神奇悖論。

1? 神奇的量子世界：疊加態(tài)和本征態(tài)

我們知道：量子的世界非常神奇，在量子的世界里，確定性被概率取代了，無(wú)論是粒子的位置、能量還是速度，都處于一種不確定的狀態(tài)之中。

例如，氫原子是由原子核和核外的一個(gè)電子組成的，電子會(huì)圍繞原子核高速運(yùn)動(dòng)。最初玻爾在解釋氫原子時(shí)，認(rèn)為氫原子的電子存在不同的軌道。但是他發(fā)現(xiàn)：這種理論只對(duì)氫原子有效，稍微復(fù)雜一點(diǎn)的原子都無(wú)法解釋。后來(lái)人們終于發(fā)現(xiàn)：電子并不存在確定的軌道，他的空間位置是隨機(jī)的，于是人們畫(huà)出了電子云，表示原子中的電子出現(xiàn)在各個(gè)不同位置的概率。

在德布羅意提出物質(zhì)波的概念之后，波恩通過(guò)概率說(shuō)解釋了物質(zhì)波和波函數(shù)的含義：波函數(shù)表示量子系統(tǒng)中某個(gè)事件的概率。

比如波函數(shù)ψ(r，t)表示一個(gè)隨著位置r和時(shí)間t演化的波函數(shù)，那么|ψ(r，t)|2就表示在位置r和時(shí)刻t找到粒子的概率。玻爾等人認(rèn)為這種觀點(diǎn)是正確的，人們把這種對(duì)于波函數(shù)和量子力學(xué)基本問(wèn)題的解釋稱(chēng)為“哥本哈根詮釋”。

更為神奇的是：因?yàn)榱孔酉到y(tǒng)的概率詮釋?zhuān)覀冊(cè)跊](méi)有進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，不能確定一個(gè)粒子的位置和速度等信息，因此量子系統(tǒng)就處于一種疊加態(tài)。例如粒子既可能在A處，也可能在B處，它就處于A和B兩處的疊加態(tài)；一個(gè)原子核可能衰變也可能沒(méi)有衰變，它就處于衰變和未衰變的疊加態(tài)。

我們要知道這個(gè)粒子到底處于A還是處于B，或者要知道一個(gè)原子核到底衰變了沒(méi)有，就需要進(jìn)行觀測(cè)。我們可能發(fā)現(xiàn)粒子在A處，也可能發(fā)現(xiàn)粒子在B處，我們稱(chēng)為“疊加態(tài)坍塌成了本征態(tài)”。似乎我們的觀測(cè)是會(huì)影響結(jié)果的，因?yàn)樵谟^測(cè)之前，粒子究竟在哪里是不確定的，而觀測(cè)之后，粒子立刻選擇了A位置或B位置，這個(gè)過(guò)程就是在我們觀測(cè)的一瞬間發(fā)生的。而且從此之后，粒子的狀態(tài)就確定了。

這種觀點(diǎn)與宏觀世界是相違背的。

比如我們到酒吧里去喝酒，服務(wù)員為我們倒了一杯酒，可能是啤酒，也可能是葡萄酒，我們可以通過(guò)品嘗知道這杯酒是什么。然而，就算我們不去品嘗，我們也知道這杯酒只可能是啤酒或者葡萄酒，雖然我們不知道這杯酒是什么，但是服務(wù)員知道。就算服務(wù)員也不知道，我們何時(shí)品嘗，或者誰(shuí)來(lái)品嘗，這杯酒的測(cè)量結(jié)果都不會(huì)有不同。因此宏觀世界不是處于疊加態(tài)，而是處于一個(gè)個(gè)本征態(tài)的。

但是量子世界里的酒卻不是這樣。這杯酒處于啤酒和葡萄酒的疊加態(tài)，既有可能是啤酒，也有可能是葡萄酒?，F(xiàn)在世界上任何一個(gè)人都不知道這杯酒是什么，而且在不同的時(shí)刻，不同的人來(lái)品嘗這杯酒，結(jié)果都可能不同。

由于量子力學(xué)中有太多與常識(shí)相違背的結(jié)論，所以許多人對(duì)量子力學(xué)產(chǎn)生了懷疑。許多人認(rèn)為量子力學(xué)是一個(gè)不完備的理論，它只是一個(gè)更深刻的物理結(jié)論的某一個(gè)側(cè)面。這其中就包含著量子力學(xué)的許多創(chuàng)立者，如愛(ài)因斯坦說(shuō)“上帝不擲骰子”，薛定諤也提出了薛定諤的貓。

2? 薛定諤的貓

奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤是量子力學(xué)的奠基人之一。他在1926年提出了薛定諤方程，用以描述量子態(tài)的波函數(shù)隨著時(shí)間的演化，并獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

但是，他卻認(rèn)為量子力學(xué)并不是一個(gè)完備的理論。尤其是在宏觀世界中會(huì)有許多與量子力學(xué)相違背的事實(shí)。他為了把這個(gè)事實(shí)描述得更加清晰，就提出了薛定諤的貓——這個(gè)最讓物理學(xué)家們頭疼的思想實(shí)驗(yàn)。

把一只貓關(guān)在一個(gè)封閉的鐵容器里面，并放入少量的放射性物質(zhì)。這些物質(zhì)在1小時(shí)內(nèi)有50%的概率發(fā)生衰變，還有50%的概率不發(fā)生衰變。如果物質(zhì)發(fā)生了衰變，旁邊的探測(cè)器就會(huì)探測(cè)到，這樣會(huì)通過(guò)一個(gè)裝置啟動(dòng)一個(gè)榔頭。榔頭會(huì)打碎一個(gè)裝有有毒物質(zhì)的瓶子。瓶子里的有毒物質(zhì)擴(kuò)散到容器里，就會(huì)把貓毒死。如果物質(zhì)沒(méi)有衰變，那么有毒物質(zhì)不會(huì)擴(kuò)散，貓就活得好好的。

由于量子系統(tǒng)處于疊加態(tài)，因此在人們沒(méi)有打開(kāi)盒子看的時(shí)候，這些放射性物質(zhì)處于衰變和沒(méi)有衰變的疊加態(tài)之中，這就使得這只貓?zhí)幱谝环N既活又死的疊加態(tài)之中。只有打開(kāi)盒子進(jìn)行觀測(cè)，在這一瞬間，疊加態(tài)會(huì)瞬間坍塌成本征態(tài)，這只貓就從一個(gè)既死又活的狀態(tài)立刻變?yōu)榛畹幕蛘咚赖呢垺?/p>

有人可能會(huì)認(rèn)為，不打開(kāi)盒子也沒(méi)關(guān)系，我們可以在盒子上安裝玻璃看著這只貓啊。要知道，任何的觀測(cè)行為都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)。比如安裝玻璃我們能夠看到內(nèi)部，這是因?yàn)橛泄馍淙肓撕凶釉俜瓷涑鰜?lái)，這些光子就會(huì)影響量子系統(tǒng)，所以不能完成實(shí)驗(yàn)。貓要處于真正的疊加態(tài)之中，必須排除外界的任何干擾，因此人們無(wú)法觀測(cè)。

這只貓的出現(xiàn)讓物理學(xué)家們抓狂了。人們差一點(diǎn)就相信了量子力學(xué)和哥本哈根詮釋?zhuān)@個(gè)美好的愿望被一只貓打擊得粉碎。

薛定諤通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)向世界闡述：量子力學(xué)只是某個(gè)更深刻物理原理的側(cè)面。

3? 平行世界

那么，“薛定諤的貓”究竟該如何解釋呢？現(xiàn)在的科學(xué)界對(duì)此還沒(méi)有統(tǒng)一的觀點(diǎn)。有些科學(xué)家甚至提出了許多神奇的理論來(lái)解釋它。

1957年，科學(xué)家休·艾弗雷特提出了著名的“多重宇宙”。他認(rèn)為：在進(jìn)行薛定諤的貓的實(shí)驗(yàn)時(shí)，箱子里原本就有兩個(gè)世界。這兩個(gè)世界在箱子外的情況完全相同，只是一個(gè)世界里箱子里有個(gè)死貓，而另一個(gè)世界里箱子里有一只活貓，只不過(guò)這兩個(gè)世界是糾纏在一起的。當(dāng)我們打開(kāi)箱子進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，這兩個(gè)世界就會(huì)發(fā)生分離，從此之后，各自變?yōu)橐粋€(gè)新的世界，而且彼此毫無(wú)影響。

這種想法多么的神奇！科幻作者們?yōu)榇诵老踩艨?，一大批科幻小說(shuō)和電影都通過(guò)這個(gè)理論演繹平行世界的精彩故事，比如《彗星來(lái)的那一夜》就是部不錯(cuò)的電影。可是這種想法又如此不可思議，讓大部分科學(xué)家不愿承認(rèn)它。薛定諤的貓至今仍是一個(gè)無(wú)法完全理解的“怪物”。

量子力學(xué)究竟是不是完備理論？人們對(duì)它還存在很多爭(zhēng)論。著名的物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、最幽默的物理學(xué)家費(fèi)曼曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“我想我可以有把握地講，沒(méi)有人懂量子力學(xué)！”

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