
薛定谔的猫,既不是猫的品种,也不是真实的动物实验,它是个诞生于 1935 年的思想实验,提出者是奥地利物理学埃尔温・薛定谔厦门pvc管道胶水,量子力学的奠基人之,那个写出薛定谔程的男人。
而反常识的是:薛定谔提出这只猫,根本不是为了科普量子力学,恰恰相反,他是想用这只猫,来证明当时主流的量子理论 “太荒谬”。
我们先把这个思想实验原原本本地说清楚。
想象个密封的金属盒子,里面关着只健康的活猫,旁边摆着套精巧的 “死亡机关”:小块放射物质、个盖革计数器、把联动的锤子,还有瓶密封的剧毒氰化物。
放射物质的衰变是量子事件,随机。
实验设定的时长里,这块物质有 50 的概率会衰变释放出个粒子,也有 50 的概率什么都不发生。
如果衰变发生,盖革计数器就会检测到粒子,触发机关,锤子落下碎毒气瓶,毒气瞬间释放,猫当场死亡;如果没有衰变,机关纹丝不动,猫就能好好活着。
好了,现在把盒子盖严,小时之后再来开。
请问:在开盒子之前,这只猫是死的还是活的?
按照我们的生活常识,答案理所当然:要么死了,要么活着,只是我们不知道而已。就像你下班回,室友要么在要么出门了,你开门只是 “发现” 这个事实,不是 “决定” 这个事实。
但按照当时量子力学的主流理论, 哥本哈根诠释,答案是:这只猫既死了,又活着,两种状态同时叠加在了起。
不是 “可能死可能活” 的未知,是 “既死又活” 的叠加;不是 “我们不清楚状态”,是 “它本身就没有确定状态”。
直到你开盒子、目光落进去的那瞬间,猫的状态才会突然 “坍缩”,变成要么死、要么活的唯确定结果。
换句话说:你的观测,不是发现了猫的生死,而是决定了猫的生死。
听到这里你肯定会拍桌子:这不是扯吗!个东西怎么可能同时处于两种相反的状态?我活了几十年,从来没见过既在沙发上睡觉又在地上拆的猫,也没见过既在桌子上又在抽屉里的杯子。宏观世界里,任何事物在某时刻都该有确定的状态,跟有没有人看没关系。
你要是这么想,那恭喜你,你的想法和当年的薛定谔、因斯坦模样。
他们俩也觉得这太荒谬了,所以薛定谔才设计了这个实验 —— 把微观的量子应放大到宏观的猫身上,就是想告诉大:“你们看,按照你们的理论,能出这么离谱的结论,说明你们的理论有问题。”
但问题是,量子世界的规则,从来都不照顾人类的常识。
要搞懂为什么会有 “叠加态” 这种反常识的东西,我们得从个真实的实验室实验说起,电子双缝干涉实验。
这个实验被称为 “物理学史上的实验”,它用实实的结果,次次击碎人类的世界观。
在讲电子之前,我们先复习下波和粒子的区别。
生活里的东西,要么是粒子,要么是波。比如子弹是粒子,在墙上就是个点,穿过两个洞,后面会留下两堆弹孔;水波是波,穿过两个缝隙,会互相干涉,波峰叠加变亮,波峰波谷抵消变暗,后形成明暗相间的条纹。
这俩是不同的质,个东西总不能既是子弹又是水波吧?
在量子力学诞生之前,全世界的科学也都是这么想的。
其实关于 “物质到底是波还是粒子” 的争论,从光开始就吵了几百年。
早牛顿大佬站出来说,光是微粒,就是颗颗小弹丸,所以才会沿直线传播、会反射折射。
凭借牛顿在科学界的对,微粒说直接统了物理学百多年。
和他对着干的胡克(就是发现胡克定律的那位)坚持光是波,两人吵得势同水火,后来牛顿当上皇学会会长,甚至把胡克的所有画像都销毁了,致后人至今都不知道胡克长什么样。
直到 1801 年,个叫托马斯・杨的年轻人做了的双缝干涉实验:让光穿过两道窄缝,后面的屏幕上出现了明暗相间的干涉条纹。
这是波的铁证啊,粒子怎么可能干涉?
结果因为牛顿的余威,托马斯・杨的论文根本发表不出去,还被学界嘲讽为 “痴人说梦”,他只能自己掏钱印小册子传播。
又过了十几年,菲涅尔完善了光的波动理论。
数学泊松本来想脸,说按照你的公式,光绕到不透明圆盘后面,阴影中心应该出现个亮斑,这怎么可能?结果实验做,阴影中心真的有个亮斑。
这就是后来大名鼎鼎的 “泊松亮斑”,波动说就此翻身。
再后来麦克斯韦写出了的麦克斯韦程组,预言光是种电磁波,赫兹又用实验证实了这个预言。到这里,波动说大获全胜,所有人都觉得光的本质已经盖棺定论了。
结果好景不长,光电应的发现,又把波动说回了原形。
光电应简单说就是:用光照射金属表面,会出电子。
但按照波动说,光的能量和强度有关,光越强能量越大,应该不管什么频率的光都能出电子。
可实验结果却是:只有频率足够的光才行,频率不够的话,再亮也不出电子;而频率够的话,哪怕光很弱,也能出电子。
这个问题把物理学难住了,直到 1905 年因斯坦站出来。
他提出,光不是连续的波,而是份份的 “光量子”(后来叫光子),每个光子的能量只和频率有关,和强度没关系。
个光子出个电子,频率不够,光子再多也没用。
这个理论解释了光电应,也把 “光既是波也是粒子” 的概念摆到了台面上,光具有波粒二象厦门pvc管道胶水,不同场景下表现出不同的质。
这时候个叫德布罗意的法国年轻人脑洞大:光有波粒二象,那实物粒子呢?比如电子,会不会也有波动?
1924 年,德布罗意在博士论文里提出了 “物质波” 假说:所有微观粒子都具有波粒二象,粒子的动量越大,对应的波长就越短。
这个假说在当时简直是天夜谭,电子明明是带负电的粒子,怎么会是波?但因斯坦看了论文之后大加赞赏,说 “他揭开了大幕的角”。
1927 年,戴维森和革末用电子束轰击镍晶体,观测到了电子的衍射条纹,电子真的是波!后来人们又做了电子双缝实验,电子束穿过双缝后,果然出现了和光样的干涉条纹。
到这里,大还能勉强接受:毕竟电子束是很多电子,就像很多水分子组成水波样,很多电子起表现出波动,好像也说得通?
但接下来的实验,让所有人都毛骨悚然。
科学把实验改成了 “逐个发射电子”:每次只发射个电子,等前个电子到屏幕上,再发射二个。
按照常识,个电子只能穿过条缝,就像颗子弹只能穿过个洞。后屏幕上应该是两条分开的亮斑,对吧?
结果呢? 开始屏幕上只有散的亮点,看不出规律。
但随着电子个个上去,亮点越来越多,后竟然形成了明暗相间的干涉条纹!
这就诡异了。
干涉是两列波叠加抵消的结果,每次只有个电子,它和谁干涉?难道它自己和自己干涉?
量子力学给出的答案是:没错,就是自己和自己干涉。
在穿过双缝的那刻,电子没有确定的路径,它处于 “穿过左缝” 和 “穿过右缝” 的叠加态,它同时穿过了两条缝,“左缝的自己” 和 “右缝的自己” 发生了干涉,所以才会在屏幕上留下干涉条纹。
这就是叠加态的真正含义:微观粒子可以同时处于多个可能的状态,每个状态对应个概率,就像好几条平行线同时往前延伸。
科学们当然不甘心接受这么离谱的结论。
他们想知道电子到底是怎么同时穿过两条缝的,于是就在双缝旁边装了个精度探测器,想盯着看每个电子到底走了哪条缝。
结果怪事发生了: 探测器开机,屏幕上的干涉条纹消失了!取而代之的,是清清楚楚的两条亮斑,和子弹出来的果模样。电子就好像知道有人在看它样,乖乖地变成了粒子,老老实实走条缝。
把探测器关,干涉条纹又回来了。
反复测试,屡试不爽:你观测,它就是粒子;你不观测,它就是波。电子就像个社恐,没人看的时候放飞自我,有人看就立刻端庄。
这就是量子力学核心的两个关键词:叠加态,和观测致坍缩。
看到这里,很多人会立刻想到唯心主义:难道人的意识真的能改变客观世界?我看眼,电子就从波变成粒子了?
先别急着上升到哲学,我们先搞清楚:“观测” 到底是什么?
我们平时说 “看见” 个东西,本质是什么?是光子撞到那个物体上,反射回来进入我们的眼睛,视网膜接收到光信号传给大脑,我们就 “看见” 了。摄像机拍照也是个道理,是光子到物体上反射进镜头,落在传感器上。
换句话说,你能看见东西,前提是有光子 “撞” 了它下。
在宏观世界里,这个撞击可以忽略不计。比如你看个苹果,数光子在苹果上,苹果纹丝不动,毕竟苹果的质量比光子大了几十个数量,就像你扔粒灰尘到山上,山不会有任何反应。
但电子不样。电子的质量只有 9.1×10^-31 千克,体积小到我们至今都测不出准确半径。光子撞到电子上,就像个保龄球到你身上,直接就把电子的状态给撞变了。
你想测电子的位置,就得用光子去撞它,光子撞,电子的速度就变了;你想测它的速度,它的位置就不准了。你永远不可能同时准确知道个电子的位置和速度,这就是海森堡的不确定原理,万能胶生产厂家也叫测不准原理。
注意,不是我们的仪器不够精密测不准,是电子本身就没有同时确定的位置和速度。这是微观粒子的本质属,跟测量技术没关系。
那为什么观测,波动就没了呢?因为当你去测电子 “从哪条缝穿过” 的时候,你测的是它的位置信息,而位置是粒子的属。你旦测量粒子,波动就消失了。
这就好比枚硬币,它有正面和反面,但你每次只能看到其中面。你看正面的时候,就看不到反面;看反面的时候,就看不到正面。粒子和波动,就是电子的 “正面” 和 “反面”,它们是互补的,不会同时出现,这就是玻尔的互补原理。
所以,不是人的 “意识” 让波函数坍缩,是 “测量” 这个物理过程,和粒子发生了相互作用,致了坍缩。哪怕没有人,只要有仪器、有环境粒子和它相互作用,样会坍缩。
个宏观的比:晚上不开灯,你想知道桌子上的杯子在哪,就得伸手去摸。你手碰到杯子的那刻,就知道了它的位置,但同时你也可能把杯子碰歪了点,改变了它的位置。宏观世界里这个改变很小,但微观世界里,这个改变是决定的。
现在我们回到薛定谔的猫。既然叠加态是量子世界的规则,那薛定谔为什么还要提出这个实验呢?
他是来 “抬杠” 的。
20 世纪 20 年代,以玻尔、海森堡、玻恩为代表的哥本哈根学派,提出了整套对量子力学的解释:微观粒子处于叠加态,是概率的;旦发生测量,叠加态就坍缩成确定的结果。这套解释符当时所有的实验结果,很快成了主流。
但有两个大佬不服:个是因斯坦,个是薛定谔。
因斯坦有句名言:“上帝不掷骰子。” 在他看来,世界的本质应该是确定的。
量子力学用概率来描述世界,是因为我们还没发现层的规律,也就是 “隐变量”。就像掷硬币看起来随机,其实是因为我们没准力度、风速、空气阻力,如果所有信息都掌握了,结果就是确定的。量子的随机也是伪随机,只是我们还没找到背后的隐变量而已。
薛定谔跟因斯坦站在同边。他虽然写出了量子力学的核心程,但他本人对叠加态、概率这些说法非常抵触。于是他设计了这个猫的思想实验,把微观的放射原子和宏观的猫绑定在起:
按照哥本哈根诠释,原子处于 “衰变” 和 “不衰变” 的叠加态,那原子连带着计数器、锤子、毒气瓶、猫,岂不是都处于叠加态?后就得出了 “既死又活的猫” 这么个荒谬的结论。
薛定谔的潜台词很明显:你看,按照你们的理论,能出这么离谱的结果,说明你们的理论是错的。宏观世界怎么可能有既死又活的猫呢?这明显违背常识。
这本质上是场物理学界的 “架”:边认为随机是世界的本质,边认为世界还是确定的,只是我们知道得不够多。
这场争论持续了几十年,两边谁也说服不了谁。毕竟都是思想层面的交锋,没有实验能证明谁对谁错。
直到 1964 年,个叫约翰・贝尔的物理学站了出来。
贝尔本来是因斯坦的忠实粉丝,他心底里相信隐变量是存在的。为了证明因斯坦是对的,他出了个数学公式,贝尔不等式。
这个公式有点复杂,我们不用究,只需要知道它的意义:
如果这个不等式成立,说明隐变量存在,因斯坦是对的,世界本质上是确定的;
如果这个不等式不成立,说明隐变量不存在,哥本哈根学派是对的,上帝真的掷骰子。
贝尔本来以为,实验结果肯定会站在因斯坦这边。结果没想到,从 20 世纪 70 年代开始,科学做了次又次的贝尔实验,结果全都证明:贝尔不等式不成立。
也就是说,因斯坦错了。
量子世界的随机,是真正的随机,不是因为我们信息不够,是它本质上就是不确定的。
贝尔本人到死都觉得实验肯定哪里有漏洞,他始终不愿意相信因斯坦错了。但科学只认实验结果,不认个人情怀。几十年过去,实验精度越来越,漏洞越来越少,结果却始终如。
2015 年,科学完成了 “漏洞贝尔实验”,把之前所有可能的实验漏洞都补上了,结果还是样:隐变量不存在。
至少就目前的所有实验证据来看,哥本哈根诠释的核心观点是对的。世界的底层,真的是概率的。
既然哥本哈根诠释是对的,那真的存在既死又活的猫吗?
其实物理学也觉得 “既死又活的猫” 太反直觉了,所以后来又提出了很多不同的理论诠释,来解释宏观和微观的衔接问题。其中主流的两种,是退相干理论和多世界诠释。
什么叫退相干?
简单说,叠加态非常 “脆弱”,只要和周围环境发生相互作用,就会立刻坍缩成确定状态。
微观粒子为什么能保持叠加态?因为它很小,很孤立,不容易和别的粒子作用。但宏观物体不样,比如只猫,它由万亿亿个粒子组成,它在盒子里,会和空气分子碰撞,会和盒子里的光子作用,甚至它自己的呼吸、心跳、毛发晃动,都是在和环境相互作用。
这些相互作用,本质上都是 “测量”。所以根本等不到你开盒子,猫的状态早就坍缩了,要么死,要么活,是确定的。叠加态维持的时间特别短,短到我们根本察觉不到。
换句话说,宏观世界不是没有叠加态,是叠加态坍缩得太快了,我们根本看不到。就像你往水里扔块石头,会激起涟漪,但涟漪很快就会消失,回归平静。宏观物体的叠加态,就像那涟漪,瞬间就没了。
所以我们不用担心,我们身边的桌子、椅子、猫、人,不会突然变成叠加态,也不会凭空消失。宏观世界的确定,是有物理依据的。
另种科幻的诠释,就是大常听的平行宇宙,也叫多世界诠释,由物理学埃弗雷特在 1957 年提出。
这个诠释说:根本没有什么波函数坍缩。所有的叠加态,都是真实存在的,只不过它们分属不同的宇宙。
当你开盒子的那刻,宇宙分裂成了两个:在个宇宙里,你看到猫活着,开心地把它抱出来;在另个宇宙里,你看到猫死了,难过地处理后事。两个宇宙都是真实的,它们从此平行发展,互不干扰,也永远不会相遇。
不止是开盒子,你做的每个选择,每次观测,甚至每个粒子的衰变,都会让宇宙分裂。
你今天早上选了吃包子还是吃油条,就分裂出两个宇宙;你上班路上选了走地铁还是公交,又分裂出两个宇宙。
在数个平行宇宙里,有数个版本的你。有的宇宙里你考上了理想的大学,有的宇宙里你成了亿万富翁,有的宇宙里你可能正经历着很糟糕的事。
这个理论听起来很像科幻片的设定,但它可不是瞎编的,它是从量子力学的数学公式里严格出来的,是个严肃的物理理论。而且它不需要引入 “坍缩” 这个奇怪的假设,数学上简洁优美,所以现在越来越多的物理学开始倾向于这个诠释。
当然,目前为止,不管是退相干还是多世界,都还只是 “诠释”,没有办法用实验证实。我们只知道微观世界的规律是那样的,但宏观世界到底怎么回事,还没有终的答案。
薛定谔的猫,这只活在思想实验里的猫,为什么能火到现在?甚至出圈到各种段子、各种域都在用?
因为它背后,是人类对世界本质的终追问。
在量子力学诞生之前,我们觉得世界是客观的、确定的、有规律的。
牛顿力学告诉我们,只要知道初始状态,就能预测未来所有的事情。就像拉普拉斯说的,只要有个足够聪明的妖精,知道宇宙中所有粒子的状态,就能出过去和未来。
但量子力学告诉我们,世界的本质是概率的,是不确定的。没有什么百分之百确定的事情,切都只是概率的叠加。
它还告诉我们,观测者和被观测者是分不开的。没有对的 “客观”,你在观察世界的时候,你本身就在影响这个世界。我们和世界,是个不可分割的整体。
甚至有人从这里延伸出哲学思考:“存在即是被感知”。
你不观测的时候,它就是团概率云,没有确定的状态;只有你观测了,它才变成你看到的样子。
当然,我们不用太陷入哲学思辨。对于普通人来说,量子力学大的意义,可能就是破我们的固有认知,让我们知道:这个世界远比我们想象的奇妙,不可思议。
我们生活在宏观世界里,我们的常识都来自于宏观的经验。但这些常识,放到微观世界里,可能不适用。就像几百年前的人以为地球是平的,以为太阳绕着地球转,那是他们的常识,但那不是真相。
量子力学就是这样,它次次破我们的常识,次次刷新我们对世界的认知。
它很难懂,连物理学费曼都说 “没人能懂量子力学”,但它也很迷人,因为它在带我们,点点靠近世界的真相。相关词条:罐体保温施工 异型材设备 锚索 玻璃棉 保温护角专用胶
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