薛定諤的貓是死了還是活著

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薛定諤的貓，這是一個(gè)把量子力學(xué)應(yīng)用到宏觀世界時(shí)出現(xiàn)的神奇悖論。

一．神奇的量子世界：疊加態(tài)和本征態(tài)
  
  我們知道，量子世界非常神奇，在量子世界里，確定性被概率取代了，無(wú)論是粒子的位置、能量，還是速度，都處于一種不確定的狀態(tài)中。
  例如氫原子是有原子核和核外的一個(gè)電子組成的，電子會(huì)圍繞原子核高速運(yùn)動(dòng)。最初波爾在解釋氫原子時(shí)，認(rèn)為氫原子的電子存在不同的軌道。但是他發(fā)現(xiàn)，這種理論只對(duì)氫原子有效，稍微復(fù)雜一點(diǎn)的原子都無(wú)法解釋。后來人們終于發(fā)現(xiàn)，電子并不存在確定軌道，它的空間位置是隨機(jī)的，于是人們畫出了電子云，表示氫原子中的電子出現(xiàn)在各個(gè)不同位置的概率。
  在德布羅提出物質(zhì)波的概念之后，波恩通過概率說解釋了物質(zhì)波和波函數(shù)的含義：波函數(shù)表示量子系統(tǒng)中某個(gè)事件的概率。
  比如波函數(shù)ψ（r，t）表示一個(gè)隨機(jī)位置r和時(shí)間t演化的波函數(shù)，那么∣ψ（r，t）∣2就表示在位置r和時(shí)刻t找到粒子的概率。波爾等人認(rèn)為這種觀點(diǎn)是正確的，人們把這種對(duì)于波函數(shù)和量子力學(xué)基本問題的解釋稱為：“哥本哈根詮釋”。
  更為神奇的是，因?yàn)榱孔酉到y(tǒng)的概率詮釋，我們?cè)跊]有進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，不能確定一個(gè)粒子的位置和速度等信息，因此量子系統(tǒng)就處于一種疊加態(tài)。例如粒子既可能在A處也可能在B處，它就處于A和B兩處的疊加態(tài)。
  我們要知道這個(gè)粒子到底處于A，還是處于B ，或者要知道一個(gè)原子核到底衰變了沒有，就要進(jìn)行觀測(cè)。我們可能發(fā)現(xiàn)粒子在A處，也可能發(fā)現(xiàn)粒子在B處，我們稱之為“疊加態(tài)坍塌成了本征態(tài)”。似乎我們的觀測(cè)還是會(huì)影響結(jié)果的，因?yàn)樵谟^測(cè)之前，粒子究竟在哪里，是不確定的，而觀測(cè)之后，粒子立刻選擇了A位置或者B位置，這個(gè)過程就是在我們觀測(cè)的一瞬間發(fā)生的。而且從此之后，粒子的狀態(tài)就確定了。
  這種觀點(diǎn)與宏觀世界是相違背的。比如我們到酒吧里去喝酒，服務(wù)員為我們倒了一杯酒，可能是啤酒，也可能是葡萄酒，我們可以通過品嘗知道這杯酒是什么。然而就算我們不去品嘗，我們也知道這杯酒只可能是啤酒或者葡萄酒，雖然我們不知道這杯酒是什么，但是服務(wù)員知道。就算服務(wù)員也不知道，我們何時(shí)品嘗或者誰(shuí)來品嘗，這杯酒的測(cè)量結(jié)果都不會(huì)有不同。因此宏觀世界不是處于疊加態(tài)，而是處于一個(gè)本征態(tài)的。
  但是量子世界里的酒卻不是這樣的。這杯酒處于啤酒喝葡萄酒的疊加態(tài)，既可能是啤酒，也可能是葡萄酒。現(xiàn)在世界上任何一個(gè)人都不知道這杯酒是什么，而且在不同的時(shí)刻，不同的人來品嘗這杯酒，結(jié)果都可能不同。
  由于量子力學(xué)中有太多與常識(shí)相違背的結(jié)論，所以許多人對(duì)量子力學(xué)產(chǎn)生了懷疑。許多人認(rèn)為量子力學(xué)是一個(gè)不完備的理論，他只是一個(gè)跟深刻的物理結(jié)論的某一個(gè)側(cè)面。這其中就包含著量子力學(xué)的許多創(chuàng)立者，如愛因斯坦說“上帝不擲骰子”，薛定諤也提出了“薛定諤的貓”。



二．薛定諤的貓

  奧地利物理學(xué)家埃爾溫?薛定諤是量子力學(xué)的奠基人之一。他在1926年提出了薛定諤方程，用以描述量子態(tài)的波函數(shù)隨著時(shí)間的演化，并獲得諾貝爾獎(jiǎng)。
  但是，他卻認(rèn)為量子力學(xué)并不是一個(gè)完備的理論。尤其是在宏觀世界中會(huì)有許多與量子力學(xué)相違背的事實(shí)。他為了把這個(gè)事情描述的更加清晰，就提出了薛定諤的貓這個(gè)最讓物理學(xué)家頭痛的思想實(shí)驗(yàn)。
  把一只貓關(guān)在一個(gè)密閉的鐵容器里，并放入少量的放射性物質(zhì)，這些物質(zhì)在1小時(shí)內(nèi)有百分之五十的概率發(fā)生衰變，還有百分之五十不衰變。如果物質(zhì)發(fā)生了衰變，旁邊的探測(cè)器會(huì)探測(cè)到，這樣會(huì)通過一個(gè)裝置啟動(dòng)一個(gè)榔頭。榔頭會(huì)打碎一個(gè)裝有有毒物質(zhì)的瓶子。瓶子里的有毒物質(zhì)會(huì)擴(kuò)散到容器里，就會(huì)把貓都市。如果物質(zhì)沒有發(fā)生衰變，那么有毒物質(zhì)就不會(huì)擴(kuò)散，貓就活的好好的。
  由于量子系統(tǒng)處于疊加態(tài)，因此在人們沒有打開盒子看的時(shí)候，這些放射物質(zhì)處于衰變和沒有衰變的疊加態(tài)之中，這就使得這只貓?zhí)幱谝环N即活又死的疊加態(tài)之中。只有打開盒子進(jìn)行觀測(cè)，在這一瞬間，疊加態(tài)會(huì)坍塌成本征態(tài)，這只貓就從一個(gè)即死又活的狀態(tài)立刻變?yōu)榛畹呢埢蛘咚赖呢垺?br />   有人可能會(huì)認(rèn)為，不打開盒子也沒關(guān)系啊，我們可以在盒子上安裝玻璃看著這只貓啊。要知道，任何的觀測(cè)行為都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)。比如安裝玻璃我們能夠看到內(nèi)部，這是因?yàn)橛泄馍淙肓撕凶釉俜瓷涑鰜恚@些光子就會(huì)影響量子系統(tǒng)，所以不能完成實(shí)驗(yàn)。貓要處于真正的疊加態(tài)之中，必須排除外界的任何干擾，因此人們無(wú)法觀測(cè)。
  這只貓的出現(xiàn)讓物理學(xué)家們抓狂了。人們差一點(diǎn)就相信了量子力學(xué)和哥本哈根詮釋，但這個(gè)美好的愿望被一只貓打擊的粉碎。
  薛定諤通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)向世界闡述：量子力學(xué)只是某個(gè)更深刻物理原理的側(cè)面。

三．平行世界

  那么，“薛定諤的貓”究竟該如何解釋呢？現(xiàn)在的科學(xué)界對(duì)此還沒有統(tǒng)一的觀點(diǎn)。有些科學(xué)家甚至提出了許多神奇的理論來解釋它。
  1958年，科學(xué)家休?艾弗雷特提出了著名的“多世界詮釋”。他認(rèn)為，在進(jìn)行薛定諤的貓的實(shí)驗(yàn)時(shí)，箱子里原本就有兩個(gè)世界。這兩個(gè)世界在箱子外的情況完全相同，只是一個(gè)世界里箱子里有只死貓，而另一個(gè)世界里箱子里有只活貓，只不過這兩個(gè)世界是糾纏在一起的。當(dāng)我們打開箱子進(jìn)行觀測(cè)，這兩個(gè)世界就會(huì)發(fā)生分離，從此之后，各自變?yōu)橐粋€(gè)新的世界，而且彼此毫無(wú)影響。
  這種想法多么的神奇，科幻作者們?yōu)榇诵老踩艨瘢淮笈苹眯≌f和電影都通過這個(gè)理論演繹平行世界的警察故事，比如 彗星來的那一夜 就是部不錯(cuò)的電影。可是這種想法又如此不可思議，讓大部分科學(xué)家不愿意承認(rèn)它。薛定諤的貓至今仍是一個(gè)無(wú)法解釋的“怪物”。
  量子力學(xué)究竟是不是完備理論？人們對(duì)它還存在很多爭(zhēng)論。著名的物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、最幽默的物理學(xué)家費(fèi)曼曾經(jīng)說過：“我想我可以有把握的講，沒有人懂量子力學(xué)！”

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世界上是先有雞還是先有蛋。
量子力學(xué)告訴你答案:這個(gè)世界上，即是先有雞，又是先有蛋。

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遇事不決，量子力學(xué)

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