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薛定谔的猫到底是什么逻辑?

薛定谔的猫,是薛定谔为反驳以玻尔为代表的哥本哈根学派,对量子世界的物理现象,所做出的“哥本哈根解释”,而提出的思想实验。

因为,根据“不确定原理”,我们是无法同时得出量子的位置(粒子性)和动量(波动性)的。按照哥本哈根解释,量子世界的物质,既是一种波,也是一种粒子。究竟是波还是粒子,取决于我们的观察方式(意识),而不是粒子的本质。哥本哈根解释意味着,物理世界并不是确定性的,是无法准确测量的。这和经典物理,认为物理世界是是完全客观的,可测量的思想,完全冲突。


而以爱因斯坦和薛定谔为代表的科学家,则认为我们无法观察,并不代表量子就即是粒子也是波,只是它们的本质我们暂时还无法认识而已。物理世界是客观、确定的,是可测量的。

所以,按照哥本哈根学派的解释逻辑,薛定谔提出了“薛定谔的猫”这一思想实验,来证明哥本哈根解释是荒谬的,不和逻辑的。

“猫”实验的材料是:1.一颗半衰期为24小时的放射性原子。2.装在密闭容器里的剧毒气体。3.活猫一只。4.密闭的箱子。5激发和探测装置。


实验过程:把猫、放射性原子,和装有毒气的瓶子一起放在密闭的箱子里,同时利用相关设备探测放射性原子是否衰变,一旦衰变便打开装有毒气的瓶子,瓶子一旦打开,就会放出剧毒气体,猫咪瞬间中毒死掉!

半衰期为24小时的原子,也就是说它会在24小时内发生衰变,发出放射性射线。但是,它什么时候发生衰变,是完全无法预测的。衰变有可能是发生在实验开始的第一秒,也有可能发生在实验结束前的最后一秒。

所以,在这个24小时内,我们是无法知道猫是死还是活的。按照哥本哈根解释的逻辑,得出的结论就是:这只猫既是死的,也是活的。这显然与我们的生活经验是不相符的,猫要么死,要么活,不可能既是死的也是活着的。


有人说,为什么不打开箱子看看呢?因为,为了和观察量子世界的条件一致,我们是不能打开箱子的。量子世界无法准确观察,箱子也就不能打开。

这个思想实验,让哥本哈根学派很为难。因为,按照我们的经验,猫在这24小时内,有可能是死的,也有可能是活着的,但绝不可能“既是死的,也是活的”。一时间,物理学界冒出很多理论,来尝试弥合哥本哈根解释与“薛定谔的猫”之间的冲突。

而“平行世界”理论,是这些理论中,比较有影响力的一种理论。

它对“薛定谔的猫”的解释是:存在两个平行的世界,一个世界中猫是活的,而另外一个世界的猫是死的。而箱子里面的猫,就是这两个世界叠加在一起的结果。一旦我们打开箱子,如果猫死了,那说明另外一个世界的猫是活着的;同样,如果打开箱子,猫是死的,那么另外一个世界的猫则是活的。

其实,关于量子究竟是“粒子”还是“波”,两千多年前,我们的老子就已经明确的告诉过人们:“万物负阴而抱阳”,也就是说,万物都是阴与阳的结合体。都具有“粒子”和“波”的性质!


薛定谔的猫是一个量子力学的思想实验。

把一只猫放在一个黑箱子里面,再放一瓶毒药,毒药由一个放射源开关来控制,或者说毒药是否释放是一个量子力学过程。如果放射线出来了,那么毒药被打翻,猫就会被毒死,如果放射线没有出来,那么毒药就保留完好,猫依然活着。但是对于观测者来说,是在箱子外面的,而且不允许打开箱子看。问题来了:猫是死了,还是活着?

对这个问题的回答看似很拗口也很复杂,可以说:猫既可能活着也可能死了,猫既没有活着也没有死去,猫处于半死不活的状态…… 用物理的语言来说就是:猫有一半的可能性是死了,一半的可能性是活着。因为量子力学告诉我们,放射性衰变发生的概率是一半一半的,我们不知道射线有没有出来,可能性是一半。所以,猫死去或活着都有可能。

这就是量子力学对我们微观世界的描述,它只给出物体状态出现的概率,并不是给出确切的结论。用波函数来描述的粒子状态,其出现的概率是波函数的模方,也就是说我们描述微观粒子并不是直接描述其运动轨迹,这是和宏观的经典物理最大的不同。在薛定谔的猫的实验里,猫的状态描述就不是我们习惯接受的猫必须死了或必须活着的这种概念,要知道猫是死了还是活着,必须破坏这种状态,也就是对猫的状态进行观测——打开黑箱子。一旦状态被破坏,那么猫处于“一半活、一半死”的状态就会坍缩到其中一个状态,要么死,要么活,得到了一个我们熟悉的确定结果。

不管怎么说,薛定谔的猫的逻辑没毛病,问题的根源在于我们认识世界的方式改变了。

试图简单明了地回答这个看起来有点绕的问题,因为这事还真不能说复杂了,说多了就乱了。

在量子物理中,认为微观粒子本身处于波函数定义的所有状态的叠加态,只有当对该微观粒子的具体状态进行测量时,波函数才坍缩到某个特定的值,你才能知道该粒子究竟处于什么状态。

简单地说来,上面一段话的意思是,一个很小的粒子,比如一个电子。在我们观察它之前,它就是一团浆糊一样的东西,它是所有状态合体,只有我们去观察它,它才会是我们看到的样子。这在当时提出来的时候,的确挑战了很多人的一般认识。

一个粒子,它不是应该本来是咋样就咋样呢?它怎么会什么状态都会有呢?

所以针对这种疑虑,“薛定谔的猫”作为一个思想实验就被提出来了,大概设计思路是这样的:将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。

根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态,这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。当我们打开箱子,这个时候,波函数塌缩成为一个固定的状态,这只猫要么“死”、要么“活”,这是一个很明确的状态。

但是在此之前,薛定谔认为,这只猫是“死活纠缠在一起”,他认为是“观察”导致了它“死”或者“活”。

量子力学在理解上,的确挑战了人们的固有认识,所以会比较难以理解。

量子力学作为20世纪最有突破的科学成就之一,也是最具争议的科学之一。“薛定谔的猫”很好的阐述了这一现状,人们不能接受量子力学是因为它的不确定性。

但是我们接受这种不确定性,因为时间证明了量子力学的伟大和有效。虽然到现在为止,还没有很明确的根本性的解释


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