薛定谔的猫是科学史上最著名的思想实验,围绕它的争论直到现在也没有结束。这是一个把量子力学应用到宏观世界时出现的神奇悖论。
叠加态
我们知道:量子的世界非常神奇,在量子的世界里,确定性被概率取代了,无论是粒子的位置、能量还是速度,都处于一种不确定的状态之中。
例如:氢原子是由原子核和核外的一个电子组成的,电子会围绕原子核高速运动。最初波尔在解释氢原子时,认为氢原子的电子存在不同的轨道。但是他发现这种理论只对氢原子有效,稍微复杂一点的原子都无法解释。后来人们终于发现:电子并不存在确定的轨道,他的空间位置是随机的,于是人们画出了电子云,表示氢原子中的电子出现在各个不同位置的概率。
在德布罗意提出物质波的概念之后,波恩通过概率说解释了物质波和波函数的含义:波函数表示量子系统中某个事件的概率。
比如波函数ψ(r,t)表示一个随着位置r和时间t演化的波函数,那么|ψ(r,t)|的平方就表示在位置r和时刻t找到粒子的概率。波尔等人认为这种观点是正确的,人们把这种对于波函数和量子力学基本问题的解释称为哥本哈根诠释。
更为神奇的是:因为量子系统的概率诠释,我们在没有进行观测时,不能确定一个例子的位置和速度等信息,因此量子系统就处于一种叠加态。例如粒子既可能在A处,也可能在B处,它就处于A和B两处的叠加态;一个原子核可能衰变也可能没有衰变,它就出于衰变和未衰变的叠加态。
我们要知道这个粒子到底处于A还是处于B,或者要知道一个原子核到底衰变了没有,就需要进行观测。我们可能发现粒子在A处,也可能发现粒子在B处,我们称为叠加态坍塌成了本征态。似乎,我们的观测是会影响结果的,因为在观测之前, 粒子究竟在哪里是不确定的,而观测之后,粒子立刻选择了A位置或B位置,这个过程就是在我们观测的一瞬间发生的。而且从此之后,粒子的状态就确定了。
这种观点与宏观世界是相违背的。比如我们到酒吧里去喝酒,服务员为我们倒了一杯酒,可能是啤酒,也可能是葡萄酒,我们可以通过品尝知道这杯酒是什么,然而,就算我们不去品尝,我们也知道这杯酒一定要么是啤酒要么是葡萄酒,虽然我们不知道这杯酒是什么,但是服务员知道。就算服务员也不知道,我们何时品尝,或者谁来品尝,这杯酒的测量结果都不会有不同。因此宏观世界不是处于叠加态,而是处于一个个本征态的。
但是量子世界里的酒却不是这样。这杯酒处于啤酒和葡萄酒的叠加态,既有可能是啤酒,也有可能是葡萄酒。现在不光世界上任何一个人都不知道这杯酒是什么,而且在不同的时刻,不同的人来品尝这杯酒,结果都可能不同。
薛定谔的猫
由于量子力学中有太多与常识相违背的结论,所以许多人对量子力学产生了怀疑。许多人认为量子力学是一个不完备的理论,它只是一个更深刻的物理结论的某一个侧面。这其中就包含着量子力学的许多创立者,如爱因斯坦说“上帝不掷骰子”,薛定谔也提出了薛定谔的猫。
奥地利物理学家埃尔温·薛定谔是量子力学的奠基人之一。他在1926年提出了薛定谔方程,用以描述量子态的波函数随着时间的演化,并获得诺贝尔奖。
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