“薛定谔的猫”实验,一个乍听之下似乎难以置信的构想,它并不意在真实世界中施行,而是薛定谔用来质疑量子力学哥本哈根解释的思维游戏。实验本身无法实际操作,它的目的是要提出一个难题,而非真正的实验操作。
这则实验,尽管广为人知,能对其完整复述者不在少数,但真正洞悉实验内涵及其背景者寥寥。正如前述问题所指出的,若你试图在现实中拿一只猫来验证此实验的真伪,那恰恰暴露了你对其本质的误解。
“薛定谔的猫”是一种思维实验,所谓思维实验,即是指那些在现实中无法完成,只能依靠想象来实现的实验。薛定谔的本意并非认为这样的实验有可能实现,相反,他自己也并不认为这样的实验会成功。他通过这个悖论性的设想,表达了对哥本哈根学派所谓的“不确定性原理”的强烈质疑和讽刺。
换句话说,薛定谔提出这一思维实验是为了反驳哥本哈根派对不确定性的解释,它本质上属于哲学范畴,而非实验科学。
薛定谔创立了量子波动方程,他认为量子状态是连续的,可以用波动方程来描绘。但波尔则主张量子状态是不连续的,只能发生跳跃变化,而由于“隐变量”的存在,这种变化是不可测量的。在测量之前,你永远无法确定体系的真实状态,一旦测量,波函数便会坍缩到一个确定的状态。这与波动方程所描述的连续性产生了矛盾,这是薛定谔所不能接受的。
关于“薛定谔的猫”实验,尽管众所周知,我们还是简要介绍一下,这个实验包含了两个关键元素:一个由核衰变释放的粒子控制的开关和毒气,以及那只处于“既死又活”状态的猫。薛定谔通过这只猫,讽刺了哥本哈根学派对“隐变量”不确定性的解释,认为这在逻辑上是自相矛盾的。因为在实验中,除了“死”和“活”两种状态外,猫还被置于一个“既死又活”的叠加状态。而量子世界的真实情况却是处于某种模糊不清的混沌状态,我们无法对其进行预测,这使薛定谔感到愤怒。
按照哥本哈根解释,这只猫不可避免地会陷入一个诡异的生死叠加态,在现实世界中,这显然是一个悖论,怎么可能存在一只“既死又活”的猫呢?
如何解释这种悖论,成为了量子力学发展中的一个哲学问题。
对于以波尔为首的哥本哈根学派来说,在微观世界中,一个微观粒子只有在被观测到之后,其状态才会变得确定,否则它可以处于一种不确定的状态,既可以在这里也可以在那里,甚至可以在两个不同地点同时存在。
在未被观测之前,微观粒子没有确定的现实性,即我们在宏观世界中所见到的那种现实性。那么,在未被观测前,微观粒子究竟处于何种状态呢?
简而言之,微观粒子会以概率波的形式存在,只能通过概率来描述,而一旦被观测,概率波便会坍缩,成为一种本征态,从波的形式转变为粒子的形式。
“薛定谔的猫”不过是这种概率波形式在宏观世界中的一种表现。这只猫就如同宏观世界中的“微观粒子”。
由此还引出了另一个著名的问题:月亮在我们不看它的时候,它是否存在?
这是爱因斯坦在反驳波尔时提出的问题。这个问题的核心在于:什么是观测?只有人类用眼睛看或用仪器测量才算是观测吗?
哥本哈根学派正是这样理解的,波尔就曾如此回应爱因斯坦:如果你不看月亮,你怎么知道它就在那里呢?
这显然不仅是一个悖论,还包含了矛盾:我们明明知道月亮就在那里,但不观测它确实无法确定!这多少有些诡辩的味道。
另一个问题则涉及到人类诞生之前的宇宙:在没有人类观测的情况下,宇宙是否也是以概率波的形式存在?
对于像“薛定谔的猫”这样的悖论,现代量子物理学家的解释是,观测的定义不仅仅是狭义上的“用眼睛看”,任何物质间的相互作用都可以视为“被观测”,物质的概率波形式便会坍缩为一种真实的存在。
从这个角度来看,猫本身是一个观测者,它可以自行观测自己,而无需外部力量(如人类的观看或仪器的测量)来确定它是死是活。
然而,这种解释并未使所有人信服。在现实世界中,猫不可能处于“既死又活”的叠加状态,它只能处于“死”或“活”的状态。
薛定谔是一位实在论者,他并不认同波尔等人的“不确定性原理”。薛定谔曾提出了关于自然界的两条基本原则:可理解性和客观化。这也导致了薛定谔与以波尔为首的学派之间的激烈争论。
关于“哥本哈根派”一词的由来,它指的是波尔、海森堡、伯恩等物理学家在哥本哈根大学提出的“不确定性解释”。除了上述几位,还有泡利、狄拉克等著名物理学家。与之相对的,是以薛定谔和爱因斯坦为首的学派。薛定谔提出了“薛定谔的猫”来讽刺哥本哈根派,而爱因斯坦则用“上帝不掷骰子”来质疑波尔。
然而不得不说,哥本哈根派的量子力学解释最终成为了被广泛接受的“正统解释”,至少目前是这样。
无论如何,科学家们永远在不断探索,探索自然的本质。作为热爱科学的我们,也应该用科学的态度来对待科学,哪怕是提出质疑,也应提出自己的见解,然后公开讨论。
量子力学已经经历了百年的发展,如今已深入到我们的日常生活中,我们日常使用的许多电子产品,如芯片,就利用了量子力学的原理。量子力学是一个真实且科学的理论,尽管薛定谔和爱因斯坦等科学家质疑哥本哈根派,但这并不意味着他们反对量子力学,事实上,他们正是量子力学的奠基人之一,他们怎么可能质疑量子力学呢?他们只是认为应该有更深层次的机制来解释量子世界的“不确定性”!