为什么没有人在现实中做“薛定谔的猫”实验?是因为技术难度吗?
薛定谔的猫,是物理学史上“四大神兽”之一,当然,它并不是一只什么样的猫,而只是一个思想实验,是物理学家薛定谔为了反驳讽刺哥本哈根学派提出的一个思想实验,也是一个悖论,严格来讲属于哲学范畴,并不属于科学范畴,所以没有办法做这样的实验。
很多人都应该听说过这个思想实验,这里就不再详述了。总是,根据以波尔为首的哥本哈根学派的诠释,在打开密封的箱子之前,猫处于“既死又活”的状态,显然这是不可能的,这就形成了一个悖论,如何解决这个悖论呢?
哥本哈根学派认为,在量子世界,微观粒子只有被观测才会真实存在,在被观测之前,微观粒子并不是真实存在的,并不是它们不存在,而是我们无法确定微观粒子到底在哪里,它们看起来无处不在,甚至可以同时出现在两个不同的地方,就好像波那样。
显然,量子世界在我们眼里是不真实的,起码不像我们所在的宏观世界那么真实。在量子世界,微观粒子在被观测之前,都以概率波的形式存在,而一旦我们实施了观测,微观粒子的概率波就会发生坍缩,坍缩为实实在在的实体粒子。
用薛定谔的猫来诠释就是,不观测时,猫就处于“既死又活”的叠加状态,而一旦实施了观测,猫就会坍缩为“死或者活”的唯一状态。
用现实世界中的宏观物体来举例说明,比如说月亮,当我们不看月亮时,月亮还在那里吗?
显然,我们多知道肯定在那里。但按照哥本哈根学派的诠释,不看月亮时,月亮就不一定在那里了,有可能在其他任何地方,因为月亮会变成随机的概率波形式,只有在我们观看月亮时,月亮才会从概率波的形式坍缩为实实在在的月亮。
很显然,这里就会出现一个矛盾。当我们想要确定月亮是否在那里时,肯定要观测,这种观测并不单单指用我们的眼睛观测,任何观测手段都算。而一旦实施了观测,就会看到月亮真的就在那里。
但是,不观测,理论上真的不能确定月亮就在那里。有人可能会说,偷偷地安装一个探测器观测月亮不就行了?刚才说了,并不是说用我们的眼睛才算观测,任何直接间接的观测手段都算观测,你安装一个摄像头实际上也是观测。
也难怪哥本哈根学派代表人物波尔会如此反驳爱因斯坦:不看月亮时,你怎么知道月亮就在那里呢?
理论上分析,波尔的反驳确实“无懈可击”,但给人的感觉更像是在诡辩。
不过,这并不重要,科学家可以通过数学手段分析量子世界的运行规律。“实在论”的另一个代表人物薛定谔就提出了著名的薛定谔方程,这个方程看起来有些晦涩难懂,不过我们没必要非得弄懂,只需要知道薛定谔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就可以了。
通过求解薛定谔方程,我们就可以得出描述微观粒子运动状态的波函数,但是薛定谔并不能解释波函数的物理意义。而如果一个数学方程不能体现出物理意义,这个方程其实就没有太大的存在意义了。
颇有讽刺意味的是,哥本哈根学派的另一个代表人物玻恩,竟然给出了波函数的物理意义,认为波函数实际上就是概率波,而玻恩凭借概率波诠释也获得了诺贝尔物理学奖。
而概率波诠释恰恰印证了哥本哈根学派提出的量子世界的不确定性原理,这是爱因斯坦和薛定谔等“实在论”代表人物很难接受的。不过现实情况就摆在那里,概率波也是薛定谔方程的一种诠释,而薛定谔方程本来就是薛定谔提出来的,如果薛定谔反对的话,基本上就等同于打自己的脸。
量子世界的不确定性和概率波诠释,通俗来讲就是,微观粒子就像波一样,无处不在,理论上可以延伸到世界的每个角落,而当我们通过观测想知道微观粒子到底在哪里时,就会看到它们在某个位置,其实我们看到的只是它们出现在某个位置的概率罢了。
往深了说,在没观测之前,这个世界的本质是模糊的,像波那样模糊。而一旦实施了观测,世界就确定下来了。
而薛定谔的猫本质上也体现了这种特性,观测之前,猫处于“既死又活”的模糊叠加状态,而观测之后,猫的状态就确定下来了。
这里还有一个问题,如果不进行观测,我们怎么知道量子世界是模糊不确定的呢?这就是刚开始说的哲学难题,现实中我们是无法确定的,理论上只有通过数学方式去描述出来,而量子力学中的不确定性原理还有玻恩提出的概率波诠释,其实已经告诉了我们答案。
虽然薛定谔的猫只是一个简单的思想实验,但薛定谔本人恐怕也想不到,就是这么一个简单的实验,在之后的几十年时间里,对量子力学的发展起到了很大的推动作用。
量子力学就是如此诡异,完全颠覆了我们的世界观和宇宙观,以至于直到今天也没有任何人能完全弄懂量子力学,如果你宣称自己弄懂了量子力学的本质,恰恰说明你其实对量子力学一无所知!
也就是说,对于量子力学,人类处于“知其然,但不知其所以然”的状态,不过这并不妨碍人们对量子力学的应用,正因为我们知道量子力学的诡异行为确实存在,所以人类早就把量子力学应用在了我们日常生活中。
比如说,如今我们每天都在使用的手机和电脑芯片中,都包含有量子科技。甚至每天赋予我们光和热的太阳核心,都蕴藏着量子科技,还有最近几年比较火热的量子通信技术等。如果没有量子隧穿效应,太阳就不会发生核聚变。当然,这又是另一个话题了,这里不再详述了!
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