什么是“薛定谔的猫”?相信很多人都听说过。薛定谔的猫只是一个思想实验,现实中不可能做这样的实验。
实验本身很简单,一个密封的箱子,里面有一只猫,放射性元素,毒气瓶,开关和铁锤。放射性元素一旦衰变,就会触发开关打开,铁锤落下砸碎毒气瓶,毒气瓶释放毒气,猫就会被毒死。否则猫就不会被毒死。
根据量子力学的叠加态原理,放射性元素同时处于衰变与未衰变的两种叠加态,于是最终那只猫就出、处于“生和死”的叠加态
(资料图片)
注意,“生和死”的叠加态并非“生或者死”,而是“既死又活”。显然,这是不可能的,现实中不可能存在一只“既死又活”的猫。薛定谔就是想利用“既死又活”的猫来质疑并讽刺量子力学的诡异性。
现实中确实不可能存在“既死又活”的猫,但量子力学中的那些诡异现象的确存在,不确定性作为量子力学的核心,早已被证明在量子世界确实存在。
按照不确定性原理,微观粒子在被观测之前,状态是不确定的,只能用概率波,也就是波函数去描述。
而一旦我们实施了观测,微观粒子的波函数就会发生坍缩,从理论上无穷多个波函数中坍缩为随机的某一个波函数。这种诡异行为与我们的现实世界格格不入,在量子世界,我们只能看到一个模糊的世界,一个不确定的世界,甚至是违反逻辑和因果律的世界。
哥本哈根诠释认为,任何测量行为都会导致波函数坍缩,从原先的完全不确定性,坍缩为唯一确定的量子态。
通俗来讲,这种波函数状态,暗示着微观粒子其实是无处不在的,可以在宇宙的任何一个角落,因为波理论上就是无处不在的。当我们进行观测时,微观粒子就会随机呈现某一确定状态,实际上就是我们正好观察到的微观粒子的状态。
这就好像“上帝掷骰子”一样,完全是随机的,是不确定的。而爱因斯坦和薛定谔等人对于这种不确定性非常反感,爱因斯坦更是提出“上帝不会掷骰子”,认为量子世界中的不确定性很可能只是表象,背后一定隐藏着更深的底层逻辑,或者说是“隐变量”,一旦人们找到这种“隐变量”,就会发现量子力学的本质。
而按照哥本哈根学派的诠释,量子世界的本质就是不确定性或者说概率,这就意味着统治我们宏观世界的因果关系,到了量子世界也不复存在了,因为那里的一切都是不确定的,我们无法同时任何规律去确定微观粒子的状态。
微观粒子可能在任何地方,同时出现在两个不同的地方,我们无法通过微观粒子此刻的状态,推算之前或者之后的状态,因为两者是没有任何关系的。
要想知道微观粒子到底是一个什么状态,只有通过观测。也就是说,在观测之前,微观世界完全是波的世界,不确定的世界。在观测之后,我们就能看到确定的世界。
量子世界的这种不确定性有着更深的含义:它直接颠覆了我们对现实和客观的认知,意味着这个世界没有什么是客观的,所谓的真实并不是真的“真实”,只能依赖于我们的观测才导致的真实。
这样的结论完全颠覆了我们的世界观,在我们眼里,周围的一切如此的真实,万事万物都客观存在,根本与我们的观测没有任何关系。
但是,如今量子力学告诉我们,所谓的“真实”完全依赖于观测行为,这几乎完全摧毁了科学家们长期以来坚守的唯物主义信条。
虽然量子力学的诡异性只会出现在量子世界,但我们的宏观世界就是由基本的微观粒子组成的,而理论上微观与宏观也并没有明确的分界线,所以微观世界与宏观世界也不应该有两套不同的大自然法则。
目前来看,相对论统治了宏观世界,而量子力学统治了微观世界。而统一相对论和量子力学也成了科学家们努力的方向。
而思想实验“薛定谔的猫”虽然是以质疑量子力学为目标的,但是连薛定谔本人恐怕也没想到,这个思想实验不但没能推翻量子力学,反而对量子力学的发展和普及起到了很大的推动作用,很多人都是通过“薛定谔的猫”这个思想实验了解到量子力学的。
经过一百多年的发展,哥本哈根诠释早已被主流科学界认可,最重要的是,量子力学中的很多诡异现象早已应用在商业领域,我们不得不接受量子力学中那些诡异行为,比如说量子隧穿效应,量子纠缠等等。
比如说,电子领域离不开的晶体管,其中就包含了量子力学科技。还有激光技术,蓬勃发展的量子计算机,量子通信技术等,都离不开量子力学!