深层解读“薛定谔的猫”,为什么会存在一只“既死又活”的猫?

百科   2024-11-17 16:55   辽宁  

数载以来,这一实验已是耳熟能详,然而量子论的篇章却翻开了新的一页。薛定谔当年所设此实验,用以质疑量子理论,甚得爱因斯坦赞许。如今以现代量子理论之眼光回望,或许其发力之处尚有探讨。

下文将细述实验及其关键所在,然我们不应停滞不前,而是需领略现代量子论之新貌。随后,我们将对比旧论,揭示其中矛盾,令您在量子领域的见解,超越薛定谔与爱因斯坦之境界。

冲突之缘由

若将量子论之所知与未知划分两端,所知者如“量子纠缠”、“量子隧穿”与“不确定性原理”等实验成果,未知者则为现象背后之本质。爱因斯坦、波尔、薛定谔等科学巨匠,皆致力于揭示深渊之奥秘。

假设量子现象为深渊所发之光,科学家所求索者即为黑暗深处之所藏。众人之解释虽各有千秋,但彼此争论不休,乃因各执己见。

冲突之本质

所有纷争皆起于微观粒子之测量。原子之结构非如我们所想,电子按固定轨道旋转。实际情形恰似云雾,电子之运动轨迹隐于实验结果之中。为求得物体运动轨迹,需知其速度与位置,以此推算下一刻之位置。

但在测量过程中,科学家发现电子的位置和速度难以确定,其速度与位置呈现出“规律的随机”状态,意味着它们遵循概率分布,然而具体是哪个概率值却是未知数,故我们无法预知电子的确切轨迹。

以通俗之言述之,无数次测量后,我们将结果标记,发现电子形成一云状结构,它在云中任一位置出现皆有可能,唯测量之时,电子才会显现为一点,仿佛在说:“我本为粒子,非云也,你我之不解,在于你未明我之本”。

波尔之诠释是,电子为一粒子,同时存在于云之各处,待我们测量之时,它会随意选取一处显现。

如此诠释令人费解,若其为一粒子,何以同时存在于多处?莫非有分身之术?

爱因斯坦则称,电子为一粒子,不应同时存在于云之各处。在测量之前,它已在某处,故我们得到的结果非全然随机,但具体何处,尚不明了。

美国量子物理学家休·艾弗雷特有言,电子同时存在于云之各处,测量时,在此宇宙它现于某地,而在另一平行宇宙,或许爱因斯坦或波尔之测量结果不同,无数平行宇宙之测量结果组合,形成电子云。

诸多理论,此处不一而足。总之,各家之言,各有其理。

正因这些争论,薛定谔才设计出那想象实验。他设一猫于箱内,箱中放置微量放射性物质。放射性物质一旦衰变,便触发毒药瓶之计数器,导致毒药瓶破裂,猫命悬一线。

放射性物质的衰变受量子力学规律之约束,换言之,量子论之定律掌控猫之生死。薛定谔将量子论中抽象概念,转化为现实中的具体问题。如此,微观世界之电子是否随机出现与宏观世界之猫生死联系起来。

生命无非生死两途,而在此实验中,猫呈现第三种状态——既生又死,因其代表“电子”之量子猫。波尔言,电子既在此又在彼,故薛定谔曰:“若波尔所言不虚,则猫既生又死。若开启箱子以观究竟,则结果仍为随机,生死乃定。”

薛定谔,量子力学之奠基者,构建此实验,旨在嘲讽以波尔为首“哥本哈根”学派之量子状态解释,认为生死“叠加态”之说荒谬,与现实世界不符。

细审之,争论之核心不在于电子是否存在叠加态,而在于打开箱子前后之情景。打开箱子即为测量,而测量由人所驱动。

为何薛定谔选用猫?盖因猫不具自我意识,故实验结果不受猫之自我意识改变。波尔认为,人之测量驱动了量子状态之随机呈现,此现象称波函数坍缩,也就是说,量子之“不确定性”与人的测量有关,故量子力学中有“测不准原理”。

爱因斯坦亦认为“观察者”之影响有误,并支持薛定谔之猫假设。其言如下:“波尔之解释被您放射性原子+盖革计数器+毒药+猫之系统最优雅地反驳了。在一盒中,系统同时含活猫与死猫。仅在物理学家调查时,猫之状态才会定型?”

爱因斯坦之意:

“薛定谔,你之比喻甚妙。

波尔,杯子果真在眼前乎?据你所言,杯子与世间万物皆存又皆无,唯有观之时,方知其存亡。或曰,唯有观之时,杯子方决断其存亡。

波尔,是否在你观之瞬间,上帝掷出骰子,2点小,“显现为小,消失为大”,如是,杯子方显。

新薛定谔之猫与破解之法——波粒二象性

“不确定性”之出现,使得这只猫现身,量子力学亦与自由意识产生牵连,似乎哲学之门已为之敞开,涌现诸多俗文学。实际上,测量与否,与结果无关。理解此点,你已超越薛定谔与爱因斯坦于不确定性上之量子理解。

何为概率分布?譬如问校内学生分数,我们不能草率取一张试卷看其80分,便以为全校皆80分。我们应随机抽取多份试卷,统计分数段,如百分之百占百分之十,六十分占百分之七十......

量子在我们未测量时,犹如全校试卷之分数皆被遮蔽,你不知随意抽出一张分数几何,然你抽取多张,便知其概率分布。下次抽取时,知有百分之十概率抽得百分之百,百分之七十概率得六十分。但你抽取与否,不影响学生之考试成绩。

学校分数与量子唯一之异,是学校为众多学生之成果,而量子仅为一人之考试成绩,或者说一个粒子之结果,此即为波粒二象性。若你未明,则听我一言:

我们曾说电子如云(波动性),犹如全校试卷分数,测量时则为一电子,正如我们抽取一张试卷之分数。然你能断言此粒子仅得八十分乎?不能。正如波尔所言,所有具有确定性概率分布之波函数坍缩为一电子。换言之,所有试卷在你抽取之时,是你随机抽得一张。为何一电子形成云状,在概率分布任意处?为何一校中仅一学生,却能呈现全校不同分数?因其为波,具波动性。

若你尚不能明了,请记此比喻:粒子如孙悟空,拔毛化分身,遍在各处,成悟空军队波动前行。唐僧唤“悟空”,波形军队即消失,唯留一孙悟空回应,告知所在。根据波形不同,各处孙悟空数量不同,数量分布呈概率。

借波粒二象性再审视猫之实验。

问未开箱前,猫何状态?答曰:即生即死,同时存在,然为概率分布:生50%,死50%。

问开启箱后,何为结果?答曰:测量百次,通常生与死各半。

问结果何由?答曰:波粒二象性所定,波函数之坍缩随机,无关测量,人之意志不能转移。



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