薛定谔的猫,只是一个简单的思想实验,之前也做过很多次科普。之所以会多次科普薛定谔的猫,就是因为这绝不仅仅是一个简单的思想实验,如果你详细了解了薛定谔的猫在什么背景下诞生的,意味着对量子力学已经有了相当深入的了解。
具体背景是这样的。
爱因斯坦和玻尔两位物理学界大佬,都是量子力学的创始人之一。既然如此,按道理讲,爱因斯坦和玻尔不应该有什么冲突,毕竟两人都不会质疑量子力学。
不过在第五届和第六届索尔维大会上,爱因斯坦与玻尔之间出现了激烈的“冲突”,当然不是打架,而是辩论。
爱因斯坦质疑玻尔关于量子力学“不确定性”的诠释,说白了就是“哥本哈根诠释”,而玻尔是哥本哈根学派的代表人物之一。爱因斯坦坚决不承认量子力学中的“不确定性”和“叠加态”,认为背后一定存在未被发现的“隐变量”,只要找到“隐变量”,就可以用经典物理学解释量子力学的诡异现象。
不过玻尔坚持认为“不确定性”和“叠加态”就是量子世界的固有属性,这才有了两人的激烈辩论。
你可能会不解:这也没有薛定谔和薛定谔的猫什么事啊,说这些干嘛呢?
别着急,听我慢慢讲。
爱因斯坦与玻尔之间的辩论并没有最终结果,两人谁都没有说服对方。爱因斯坦并不服气,于是便联合波多尔斯基和罗森一起提出了著名的“EPR佯谬”,EPR分别是三人名字的首字母。
EPR佯谬到底什么意思呢?
它针对的其实还是哥本哈根诠释中的不确定性原理,通俗理解是这样的。
不确定性原理表明,我们不可能同时测量出微观粒子准确的位置和速度信息,位置越准确,速度就越不准确。而位置的不确定性与速度不确定性乘积必须不小于一个常数,这个常数虽然很小,但比零要大。
爱因斯坦等三人认为,如果把纠缠中的两个粒子A和B分开,相距很远。之后测量粒子A的位置,根据不确定性原理,位置确定了,速度自然就确定不了。但是可以测量B的速度,由于A和B处于纠缠态,根据动量守恒,就可以间接获取A的动量,自然也就知道A的速度了。
这不就相当于我们同时知道了粒子A的准确位置和速度信息了吗?果真如此的话,就与不确定性原理发生了矛盾。
再通俗点可以这样理解。有一副手套,分别被装在两个密封的箱子里,我们并不知道两个箱子里的手套哪个是左手套,哪个是右手套。现在把两个箱子放在相距一千光年远的两个地方,玻尔打开其中一个箱子发现是左手套,那么立刻就知道另一个箱子里是右手套,相当于玻尔瞬间获取了一千光年外的信息,远超了光速,这显然是不可能的。
该薛定谔登场了。
与爱因斯坦一样,薛定谔也是经典物理学派的坚定支持者,他对哥本哈根诠释中的不确定性原理也非常反感。
薛定谔这家伙确实聪明绝顶,是物理学天才,提出了著名的薛定谔方程,该方程在量子世界的地位就相当于牛顿定律在宏观世界的地位,描述的是微观粒子的运行规律。不过薛定谔无法解释公式中的“波函数”到底是什么意思,还有玻恩给出了解释,认为所谓的“波函数”其实就是概率波,玻恩也因为“概率波”诠释获得了诺贝尔物理学奖。
按说你薛定谔应该感谢玻恩才对,但玻恩也是哥本哈根学派的成员之一,他提出的概率波诠释本质上还是不确定性,薛定谔本人对此非常生气,他把EPR佯谬又定义为“量子纠缠”,这个名字在当时确实很不受欢迎,甚至会成为被戏谑的对象。
之后,薛定谔又提出了著名的薛定谔的猫这个思想实验,讽刺并质疑哥本哈根学派所谓的“叠加态”。不得不承认,薛定谔真的是天才,思维很具有跳跃性。
原本薛定谔只是想借助这个思想实验恶心哥本哈根学派,一开始也确实“恶心”到了,不过随着量子力学不断发展,这个思想实验到后来竟然成了推动量子力学发展的的某种动力,最起码成为了一个几乎众人皆知的科普知识。
实验过程就不详述了,简单讲就是,通过一个放射性元素的衰变与否,来控制开关,然后开关控制毒气瓶是否打开释放毒气。
按照量子力学中的“叠加态”,放射性元素一直处于“衰变与不衰变”的叠加态,最终猫自然也处于“生和死”的叠加态。而要想知道这只猫到底是死是活,只有通过观测,而在观测的一瞬间,猫的状态就发生了坍缩,从叠加态坍缩为“本征态”,也就是某一个确定状态,要么死,要么活。
很显然,这样的猫现实中是不存在的,薛定谔就是想用这个思想实验讽刺哥本哈根学派。
薛定谔设计的这个思想实验真的很高明。因为在爱因斯坦和玻尔大辩论的时候,玻尔总是会强调量子力学中的诡异现象,比如说不确定性和叠加态只会出现在量子世界,不会出现在宏观世界。
而薛定谔用一个简单的思想实验,成功地把微观世界的量子效应(放射性元素的叠加态)与宏观世界(那只猫)联系起来。对于这个思想实验,一时间连玻尔本人也有点懵,毕竟如果叠加态真的存在,那里理论上“既死又活”的猫也会存在,但现实中怎么可能存在这样的猫呢?
而如果叠加态不存在,不等于自己打自己脸吗?相当于玻尔和哥本哈根学派自己否定到了自己。
于是,随着薛定谔的猫这个思想实验不断发酵,最终这只猫也成了物理学界四大神兽之一,可谓家喻户晓,现实中很多人把自己家的猫就起名为“薛定谔”,可见这只猫有多出名了。
但物理学该如何解释薛定谔的猫这个思想实验呢?衍生了很多假说。
比如说多世界假说,这个假说确实让人感觉很疯狂。认为在我们观测的一瞬间,世界就发生了分裂,分裂为两个世界,其中一个世界里的猫是活的,另一个世界里的猫是死的,如果我们世界里的猫是活的,不代表死猫就不存在,只是出现在了另一个世界。
更深层的意思是,由于我们日常生活中每时每刻都在观测,意味着我们的世界每时每刻都在发生分裂,你的任何一次选择,任何一次决定都会分裂成两个世界。你在做出一个选择的同时,自然会放弃其他选择,但并不是说其他选择没有出现,只是出现在了其他世界。
打个不恰当的比方,有两个女孩你都很喜欢,你都不想放弃,但现实中你不得不做出选择,只能选其中的一个女孩,放弃另一个女孩。但其实在你选择的时候,就会分裂成两个世界,你在另一个世界选择的是另一个女孩。
可以看出,多世界假说太疯狂了,也很难通过实验去验证,所以至今也不被大众接受。
还有就是“退相干”诠释,也是目前相对最可靠的诠释。所谓“退相干”,说白了就是“不再具有相干性”,也就是说“不再具有量子力学中的纠缠,叠加态和不确定性”。
退相干理论认为,薛定谔的猫这个思想实验其实是没有意义的,因为在实验甚至还没开始时,放射性元素的叠加态就已经发生了“退相干”,不再具备“叠加态”。为什么?
因为放射性元素不可避免地会与周围环境发生相互作用,就相当于是“观测”。密封的箱子不可能是绝对的真空,即便假设是绝对的真空,箱子里面仍旧有开关,毒气瓶,当然还有猫本身。由于任何形式的观测都会导致叠加态发生坍缩,成为本征态,因此猫也可以是观测者。
也就是说,在哥本哈根学派眼里,叠加态确实是存在的,是量子世界的固有属性,只不过这种叠加态很难表现在宏观世界里。
而随着上世纪60年代贝尔不等式的问世,也让爱因斯坦与哥本哈根学派之间的争论暂时告一段落,结果就是爱因斯坦错了,哥本哈根学派笑到了最后。
贝尔不等式是从爱因斯坦的“隐变量理论”推导出来的一个属性,这里就不具体展开了,简单讲就是,如果隐变量存在,那么量子纠缠的结果应满足一定的统计规律,即贝尔不等式。
也就是说,如果贝尔不等式成立,那么隐变量就存在,爱因斯坦对了。如果贝尔不等式不成立,那么隐变量就不存在,玻尔为首的哥本哈根学派就对了。
而实验证明,贝尔不等式确实不成立,因此哥本哈根学派笑对了,这也是为什么不确定性原理会被如今主流科学界认可。
而很多实验也确实表明量子纠缠现象的确存在,比如说我国的墨子号量子卫星,早在2016年就实现了两个纠缠光子被分发到相距1200公里远处,仍保持纠缠态。
完!