薛定諤的貓,只是一個簡單的思想實驗,之前也做過很多次科普。之所以會多次科普薛定諤的貓,就是因為這絕不僅僅是一個簡單的思想實驗,如果你詳細了解了薛定諤的貓在什麼背景下誕生的,意味著對量子力學已經有了相當深入的了解。
具體背景是這樣的。
愛因斯坦和玻爾兩位物理學界大佬,都是量子力學的創始人之一。既然如此,按道理講,愛因斯坦和玻爾不應該有什麼衝突,畢竟兩人都不會質疑量子力學。
不過在第五屆和第六屆索爾維大會上,愛因斯坦與玻爾之間出現了激烈的「衝突」,當然不是打架,而是辯論。
愛因斯坦質疑玻爾關於量子力學「不確定性」的詮釋,說白了就是「哥本哈根詮釋」,而玻爾是哥本哈根學派的代表人物之一。愛因斯坦堅決不承認量子力學中的「不確定性」和「疊加態」,認為背後一定存在未被發現的「隱變數」,只要找到「隱變數」,就可以用經典物理學解釋量子力學的詭異現象。
不過玻爾堅持認為「不確定性」和「疊加態」就是量子世界的固有屬性,這才有了兩人的激烈辯論。
你可能會不解:這也沒有薛定諤和薛定諤的貓什麼事啊,說這些幹嘛呢?
別著急,聽我慢慢講。
愛因斯坦與玻爾之間的辯論並沒有最終結果,兩人誰都沒有說服對方。愛因斯坦並不服氣,於是便聯合波多爾斯基和羅森一起提出了著名的「EPR佯謬」,EPR分別是三人名字的首字母。
EPR佯謬到底什麼意思呢?
它針對的其實還是哥本哈根詮釋中的不確定性原理,通俗理解是這樣的。
不確定性原理表明,我們不可能同時測量出微觀粒子準確的位置和速度信息,位置越準確,速度就越不準確。而位置的不確定性與速度不確定性乘積必須不小於一個常數,這個常數雖然很小,但比零要大。
愛因斯坦等三人認為,如果把糾纏中的兩個粒子A和B分開,相距很遠。之後測量粒子A的位置,根據不確定性原理,位置確定了,速度自然就確定不了。但是可以測量B的速度,由於A和B處於糾纏態,根據動量守恆,就可以間接獲取A的動量,自然也就知道A的速度了。
這不就相當於我們同時知道了粒子A的準確位置和速度信息了嗎?果真如此的話,就與不確定性原理髮生了矛盾。
再通俗點可以這樣理解。有一副手套,分別被裝在兩個密封的箱子里,我們並不知道兩個箱子里的手套哪個是左手套,哪個是右手套。現在把兩個箱子放在相距一千光年遠的兩個地方,玻爾打開其中一個箱子發現是左手套,那麼立刻就知道另一個箱子里是右手套,相當於玻爾瞬間獲取了一千光年外的信息,遠超了光速,這顯然是不可能的。
該薛定諤登場了。
與愛因斯坦一樣,薛定諤也是經典物理學派的堅定支持者,他對哥本哈根詮釋中的不確定性原理也非常反感。
薛定諤這傢伙確實聰明絕頂,是物理學天才,提出了著名的薛定諤方程,該方程在量子世界的地位就相當於牛頓定律在宏觀世界的地位,描述的是微觀粒子的運行規律。不過薛定諤無法解釋公式中的「波函數」到底是什麼意思,還有玻恩給出了解釋,認為所謂的「波函數」其實就是概率波,玻恩也因為「概率波」詮釋獲得了諾貝爾物理學獎。
按說你薛定諤應該感謝玻恩才對,但玻恩也是哥本哈根學派的成員之一,他提出的概率波詮釋本質上還是不確定性,薛定諤本人對此非常生氣,他把EPR佯謬又定義為「量子糾纏」,這個名字在當時確實很不受歡迎,甚至會成為被戲謔的對象。
之後,薛定諤又提出了著名的薛定諤的貓這個思想實驗,諷刺並質疑哥本哈根學派所謂的「疊加態」。不得不承認,薛定諤真的是天才,思維很具有跳躍性。
原本薛定諤只是想藉助這個思想實驗噁心哥本哈根學派,一開始也確實「噁心」到了,不過隨著量子力學不斷發展,這個思想實驗到後來竟然成了推動量子力學發展的的某種動力,最起碼成為了一個幾乎眾人皆知的科普知識。
實驗過程就不詳述了,簡單講就是,通過一個放射性元素的衰變與否,來控制開關,然後開關控制毒氣瓶是否打開釋放毒氣。
按照量子力學中的「疊加態」,放射性元素一直處於「衰變與不衰變」的疊加態,最終貓自然也處於「生和死」的疊加態。而要想知道這隻貓到底是死是活,只有通過觀測,而在觀測的一瞬間,貓的狀態就發生了坍縮,從疊加態坍縮為「本徵態」,也就是某一個確定狀態,要麼死,要麼活。
很顯然,這樣的貓現實中是不存在的,薛定諤就是想用這個思想實驗諷刺哥本哈根學派。
薛定諤設計的這個思想實驗真的很高明。因為在愛因斯坦和玻爾大辯論的時候,玻爾總是會強調量子力學中的詭異現象,比如說不確定性和疊加態只會出現在量子世界,不會出現在宏觀世界。
而薛定諤用一個簡單的思想實驗,成功地把微觀世界的量子效應(放射性元素的疊加態)與宏觀世界(那隻貓)聯繫起來。對於這個思想實驗,一時間連玻爾本人也有點懵,畢竟如果疊加態真的存在,那裡理論上「既死又活」的貓也會存在,但現實中怎麼可能存在這樣的貓呢?
而如果疊加態不存在,不等於自己打自己臉嗎?相當於玻爾和哥本哈根學派自己否定到了自己。
於是,隨著薛定諤的貓這個思想實驗不斷發酵,最終這隻貓也成了物理學界四大神獸之一,可謂家喻戶曉,現實中很多人把自己家的貓就起名為「薛定諤」,可見這隻貓有多出名了。
但物理學該如何解釋薛定諤的貓這個思想實驗呢?衍生了很多假說。
比如說多世界假說,這個假說確實讓人感覺很瘋狂。認為在我們觀測的一瞬間,世界就發生了分裂,分裂為兩個世界,其中一個世界裡的貓是活的,另一個世界裡的貓是死的,如果我們世界裡的貓是活的,不代表死貓就不存在,只是出現在了另一個世界。
更深層的意思是,由於我們日常生活中每時每刻都在觀測,意味著我們的世界每時每刻都在發生分裂,你的任何一次選擇,任何一次決定都會分裂成兩個世界。你在做出一個選擇的同時,自然會放棄其他選擇,但並不是說其他選擇沒有出現,只是出現在了其他世界。
打個不恰當的比方,有兩個女孩你都很喜歡,你都不想放棄,但現實中你不得不做出選擇,只能選其中的一個女孩,放棄另一個女孩。但其實在你選擇的時候,就會分裂成兩個世界,你在另一個世界選擇的是另一個女孩。
可以看出,多世界假說太瘋狂了,也很難通過實驗去驗證,所以至今也不被大眾接受。
還有就是「退相干」詮釋,也是目前相對最可靠的詮釋。所謂「退相干」,說白了就是「不再具有相干性」,也就是說「不再具有量子力學中的糾纏,疊加態和不確定性」。
退相干理論認為,薛定諤的貓這個思想實驗其實是沒有意義的,因為在實驗甚至還沒開始時,放射性元素的疊加態就已經發生了「退相干」,不再具備「疊加態」。為什麼?
因為放射性元素不可避免地會與周圍環境發生相互作用,就相當於是「觀測」。密封的箱子不可能是絕對的真空,即便假設是絕對的真空,箱子裡面仍舊有開關,毒氣瓶,當然還有貓本身。由於任何形式的觀測都會導致疊加態發生坍縮,成為本徵態,因此貓也可以是觀測者。
也就是說,在哥本哈根學派眼裡,疊加態確實是存在的,是量子世界的固有屬性,只不過這種疊加態很難表現在宏觀世界裡。
而隨著上世紀60年代貝爾不等式的問世,也讓愛因斯坦與哥本哈根學派之間的爭論暫時告一段落,結果就是愛因斯坦錯了,哥本哈根學派笑到了最後。
貝爾不等式是從愛因斯坦的「隱變數理論」推導出來的一個屬性,這裡就不具體展開了,簡單講就是,如果隱變數存在,那麼量子糾纏的結果應滿足一定的統計規律,即貝爾不等式。
也就是說,如果貝爾不等式成立,那麼隱變數就存在,愛因斯坦對了。如果貝爾不等式不成立,那麼隱變數就不存在,玻爾為首的哥本哈根學派就對了。
而實驗證明,貝爾不等式確實不成立,因此哥本哈根學派笑對了,這也是為什麼不確定性原理會被如今主流科學界認可。
而很多實驗也確實表明量子糾纏現象的確存在,比如說我國的墨子號量子衛星,早在2016年就實現了兩個糾纏光子被分發到相距1200公里遠處,仍保持糾纏態。
完!