薛定谔的猫究竟是死是活?

   薛定谔的猫在如今俨然已经成为了一个文化符号,甚至成了媒体大众口中用来解释量子论的标准答案,这个实验室这样的:

    一只猫被关在一个密闭无窗的盒子里,盒子里有一些放射性物质。一旦放射性物质衰变,有一个装置就会使锤子砸碎毒药瓶,将猫毒死。反之,衰变未发生,猫便能活下来。

薛定谔设计了这个可怕的实验来挖苦量子理论荒唐的一面,按照量子物理学的解释, 在打开盒子看猫之前,这只猫非生非死,而是处在典型的量子态,即活与不活叠加的离奇状态 。

    这是比较讽刺的,因为当初薛定谔设计这个实验,其实是用来挖苦量子物理学的,实验是他谔在写给爱因斯坦的回信中设计的,用来说明量子物理学是多么的不靠谱。

他们都是坚定的经典物物理学支持者,认为在这个物质世界的任何领域一定有一个合适的理论,可以计算出一个确切的数值,而量子物理学给出的全是概率,这也是为什么爱因斯坦说上帝不掷骰子。

    很可惜,虽然即活又不活的猫看起来是那么的不靠谱,但是无数的实验和观察证明了在量子的世界里,这件事是实实在在发生的。用猫举例子是为了方便大众理解,实际的情况是:在宏观(或者说平均)的世界里,那些充满美感的经典公式无往不胜;可一旦进入量子(或者说原子)的世界里,他们就会变得一无是处。

比如无线电的基础理论麦克斯韦电磁方程,与光电效应的实验结果(电子的飞出数量)严重不符。

    其实这件事情是爱因斯坦自己先搞起来的,他在写《关于光的产生和转化的一个启发性观点》(1905年)中,首先使用了光量子这个词,认为光的传输不是连续不断的,而是一份一份的,每份的最小单位就是“量子”。

所以说是他自己掀起了量子物理的革命也没错,虽然之前普朗克已经证实概念,可惜早就被包括他本人在内的权威们冷落到角落里去了。那时的爱因斯坦是叛逆的,但他又对量子理论会破坏经典物理体系甚为担忧,

对外界表示量子理论过于革命,晚年执着于大一统理论,错过了为量子物理学添砖加瓦的机会。

    那微观世界到底又是怎么样的?这个事情要从波尔的原子结构说起,我们都知道原子里面是原子核和电子,电子绕着原子核转圈,而这个电子,就是那只猫。

因为电子的运行轨道是量子化的,简单的讲就是电子在转圈的时候,会出现在什么地方,是不确定的。按照我们正常的思维,比如地球绕着太阳转,地球是连续运动的,你可以说地球转了1米,1.2米,1.3米…

连续的走,但电子不行,电子只能1米,2米,4米的蹦着走,即量子的整数极,并且很有可能现在在1米的位置,下一个瞬间直接在4米的位置了,没有经过2米和3米,这个过程,就叫做量子的跃迁。

    无数的实验证明,我们的大自然是不连续的。

    电子下一次会出现在哪里,1米还是4米的位置?我们确定不出来,它很可能出现在任意的位置,科学家们只能给出概率。是的,物理学可以预测炮弹下落的轨迹,可以预测几千年后的日蚀,却做不到对电子位置的预测,在这个领域里,上帝又回来了。

    在这个问题上,我们只能做到观测,无法预测。也就是说,即使你眼睁睁的看着电子,记录了它的运行轨迹,但这轨迹本身却是无迹可寻的,你记录只是一个随机的结果而已。

    用刘慈欣在《球形闪电》里的例子可以更好理解这个问题:假设你拿着一只能打出电子的枪打靶,每次都能准确打中靶心。但当你有一次先瞄准好,再闭上眼睛打靶时,甚至可能连靶都打不到,电子可能飞到任何位置。

    也就是说,只有当你观测它的时候,量子才能进入确定的位置,我们称之为量子的“坍缩”状态。即只有存在“观测者”的情况下,量子才会坍缩,而量子物理学只能研究我们观测到的结果。

    这就是为什么那只猫会如此的深入人心,因为这确确实实的打击到量子物理学的痛点。而猫是否在即生又死的状态下,本身并不重要。重要的是你会发现在量子这个层面,一切的结果都取决于你的观察,而不是客观规律。

    构成我们世界的基础居然是如此主观的存在!这是否太唯心了!物理的最后竟然是一个哲学问题!当然,一切的一切都应该加一个前提–到目前为止。

    有时候你会不会觉得,地球绕太阳公转,就像电子绕原子核运动一样。如果地球是一个电子,那么它其实一直处在坍缩状态,从来没有跃迁过,这是否意味着,对于整个宇宙,是有一个观测者的呢?

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