“薛定谔的猫”究竟是一个正确的概念还是荒谬的概念?

薛定谔的猫来源于量子的不确定性。 在盒子中,如果放射性原子衰变,猫就会死,如果没有衰变,猫就会活下来。 这只猫给科幻作者提供了素材,也把量子力学蒙上了一层神秘的阴影。 今天我们就来揭开它的面纱,聊聊猫背后的真相是什么。

双缝干涉

图:电子和光子都同时具备波和粒子的性质。 当每次像双缝发射一个电子,数量累积足够多了,屏幕上就会出现干涉条纹。

薛定谔的猫源于双缝干涉实验:向两个细细的、间隔很近的缝隙发射一些光线,然后会观察到另一边屏幕上呈现出的干涉条纹,即分别穿过两个缝隙的光波发生了相互作用,产生了干扰。 如果发射的是大量的粒子也会出现明亮相间的干涉条纹。

光具有波粒二象性,因此光同时也是由光子构成的,当我们往双缝发射一个光子时,光粒子(光量子)作为独立的一个粒子只能从两条缝中的其中一条穿过,但是当科学家只发送一个光子,仍然会得到干涉图案。 这让科学家就懵圈了,干涉的情况,最起码需要两个粒子通过不同的缝隙发生干涉,那么单个的粒子是如何完成干涉的?基于这样的实验结果我们只能得出一个粒子,同时穿过了细缝A和细缝B,就如同它在选择细缝前出现了一个分身进入了另外一个细缝。

图:进行观测,屏幕上不会出现干涉图案。 电子(或光子)表现出的不是波的性质,而是经典粒子的性质。

想要搞清楚这件事也很简单,看看、观测观测就知道了,然而情况并没有那么简单,当科学家对粒子的运动轨迹进行监测的时候,发现当发射出一个粒子时,粒子“乖乖“的选择了一条细缝通过,并且在屏幕上留下了一个亮点,干涉消失了。

这个实验说明了我们如果不去观察粒子,那么粒子通过细缝A的概率是100%,通过细缝B的概率也是100%。 当我们进行观察时,如果细缝为两个,那么粒子通过任何一个细缝的概率是50%。 同时也意味着观测会改变结果,那么在什么条件下观察会改变结果?观察对量子产生了什么影响?会发生影响的“观察者”是否有对象限制?人?还是无机物、非生命也会造成影响?

在“掩模”双缝实验中,狭缝P1打开,狭缝P2打开,或者两个狭缝都打开时,所呈现得结果不同。

薛定谔的猫薛定谔提出猫的思维实验把双缝实验“过渡”到宏观层面:

建立了一个封闭的盒子,盒子里面有个量子系统,即放射性原子,当原子衰变时,量子系统就会释放毒气,盒子里有一只猫,会被毒死,在一个半衰期之后,猫是死是活?这就是薛定谔的猫思想实验。

打开盒子等同于双缝实验中的观察,

1.你会发现放射性原子衰变,猫死了。

2.你会发现一只活猫,放射性原子还没有衰变。

这就如同双缝干涉实验,原子衰变的概率是不确定的,原子同时处于衰变态和非衰变态的叠加状态。 而原子的衰变控制毒药释放与不释放,毒药的状态又决定了猫的生死,那么猫本身,必然处于量子叠加态。 这种叠加态会出现一个很大的误区,很多人认为打开盒子之前猫处于两种状态的叠加,这种叠加的状态是50%死+50%活。

薛定谔设计了这个思维实验,但他并没有声称猫本身会处于量子态的叠加状态,即既死又活,就像在双缝实验中我们没有观察光子得到的干涉结果一样。 他与爱因斯坦一样认为在打开盒子之前,生死已定,即50%死/50%活,而猫如何出现生死或者光子为什么会发生这样的情况,遵循什么样的物理定律我们还未发现。

他真正的目的是为了说明有些人误解了量子力学,得出一个荒谬结论盒子里是一只既死又活的猫。 换句话说,量子系统实际上可以用所有可能的概率加权叠加,观察或测量总是显示一个且只有一个确定的状态。

在传统的薛定谔猫实验中,我们不知道量子衰变是否已经发生,猫死亡与否。 盒子里的猫不是死就是活,这取决于放射性粒子是否衰变。 如果猫是一个量子系统,那么猫既不是活的也不是死的,而是处于两种状态的叠加状态,直到被观察。 然而,我们无法观察到猫既死又活的猫,因为观察就意味着要打开盒子,而盒子打开只有一个结果。

真正的量子叠加态的解释其实就是双缝干涉实验的结果,当猫在盒子中,我们不观察它,它活的概率为100%,死的概率也为100%,打开盒子一瞬间猫死的概率为50%,活的概率为50%。 这正是哥本哈根学派波尔的解释,而是如今量子力学的主流解释。

正是在哥本哈根学派对于盒中之猫的解释,美国物理学家休·埃弗雷特提出了“平行宇宙”,因为盒子中的猫生死概率为200%,而打开盒子得到的结果为100%,那么少了100%哪去了。 由于量子信息不守恒,他认为如果打开盒子时得到是猫100%活着的信息,那么另外100%死的猫的信息会发生在其他宇宙,即平行宇宙。

最后这就是薛定谔猫延伸出来的解释,而这一切都基于双缝干涉实验量子通过细缝的不确定性,如果我们理解了双缝干涉实验,对于猫的解释也就见怪不怪了。

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