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扑朔迷离的科学魅影猫死了,还是活着

  头条创作挑战赛
  许多人将听起来有些诡异的量子理论视为天书,敬而远之。诺贝尔物理学奖得主、著名物理学家费曼曾说:我想我可以有把握地讲,没有人懂量子力学!但不管哪个行业的人,大概都听说过奇妙的量子现象,如测不准原理、薛定谔的猫等。在日常生活中看起来匪夷所思的现象,却千真万确地存在于微观的量子世界之中。
  既死又活的猫
  1935年,薛定谔发表了一篇题为《量子力学的现状》的论文。在论文中,他构思了一个薛定谔猫的理想实验,实验过程如下:
  一只猫被放进一个封闭的盒子里,盒子里有一个毒药瓶,上面有一把锤子,锤子由一个电子开关控制,电子开关则由放射性原子控制。原子核衰变放射出阿尔法粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,释放出里面的氰化物气体,猫闻到氰化物气体会死去。
  薛定谔奥地利物理学家,量子力学奠基人之一。他尝试了著名的薛定谔猫思想实验,试图以此证明量子力学在宏观条件下的不完备性。
  现在的问题是:猫是死的,还是活的?其实我们也可以换一种问法,原子核什么时候衰变?因为原子核什么时候衰变,猫就什么时候死。
  原子核什么时候衰变呢?根据量子力学的原理,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,状态不确定;当有人观察时,原子核衰变或不衰变,只有在那一刻才见分晓。
  这种叠加态是哥本哈根派给出的解释,具体地说就是在没有测量之前,一个粒子的状态模糊不清,处于各种可能性的混合叠加状态。比如一个放射性原子,它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察,它便处于衰变或不衰变的叠加状态中。只有确实地测量了,它才会随机地选择一种状态而出现。
  根据这个解释,在量子世界里,猫既是死的,又是活的,只有在打开箱子观察的一刹那,才能决定猫是死是活。请注意,这里仅仅看一眼就足以致命!这跟我们的日常经验大相径庭。比如我说路人甲现在在客厅里,或是说路人甲现在不在客厅里。在或不在,两者必居其一。然而在微观的量子世界中,情况却有所不同。微观粒子可以处于一种所谓的叠加态,每种状态都有一定的概率。
  维也纳大学名人长廊中的薛定谔塑像
  聪明的读者也许会说,要想知道路人甲是不是在客厅里,去看一眼不就清楚了啊!当然,看一下肯定没问题。这是宏观世界,如果在微观世界里,看电子是不是在某一点上,可就没这么简单了。当我们对电子的状态进行测量时,电子的叠加态不复存在,而是坍缩到两个状态的其中之一。微观与宏观的不同之处在于,路人甲在不在客厅,并不以看或不看而转移,即你看他在那里,你不看他也在那里。而微观电子坍缩前的状态,你如果不测量它,就永远也不能确定。
  奇妙的量子历史
  薛定谔为什么要设计这个思想实验呢?这一切要从薛定谔方程说起。1919年,有一个叫作德布罗意的年轻人突然对物理产生了浓厚的兴趣,于是抛开中世纪史,转而研究起了理论物理。德布罗意是典型的富二代,父亲是法国内阁部长,位高权重,德布罗意则吃喝不愁,每天就想着怎么打发无聊时光。5年后,德布罗意提交了自己的博士论文,论文只有短短的一页,上面列了两个公式,以及一个猜想:一切物质都具有波粒二象性。
  第五届索尔维会议集体照这张汇聚了物理学界智慧之脑的明星照成了这次会议的见证。这里有我们熟悉的居里夫人(前排左三)、爱因斯坦(前排左五)和薛定谔(后排左六)等。
  德布罗意对自己的论文能不能获得通过信心不大,他的老师朗之万向他透露,论文评审委员会有几位教授很不屑德布罗意的研究。怎么办呢?朗之万想到了自己的好朋友爱因斯坦,于是修书一封。信中说,我有个学生叫德布罗意,写了一篇十分有想法的博士论文,请予以评价。在信的末尾,郎之万还特别提出他这位学生的父亲是法国内阁部长,如是这般叮嘱再三。
  爱因斯坦很快回信,对德布罗意的工作评
  价甚高。论文评审委员会的人一看爱因斯坦都给了那么高的评价,当然就不好说什么了,德布罗意这才顺利通过了论文评审。
  收到德布罗意博士论文的不止爱因斯坦一个,在朗之万寄出的信中,有一份是给维也纳大学的教授德拜的。德拜收到论文后,看也没看就将它交给了一位中年讲师,这位讲师的名字叫作薛定谔。薛定谔拿到论文后,对德布罗意的研究很感兴趣,不但仔细读了德布罗意的博士论文,还为德布罗意的假想找了一个波动方程。这个方程就是后来鼎鼎大名的薛定谔方程。当然,这个方程是生搬硬套上去的,虽然很好用,但薛定谔也不明白其中的含义。于是,有人写了一首打油诗讽刺薛定谔:欧文用他的(读psai),计算起来真灵通。但真正代表什么,没人能够说得清。(欧文就是薛定谔,是薛定谔波动方程中的一个变量)
  薛定谔方程到底代表了什么?最后,物理学家波恩给出了自己的解释:薛定谔方程其实是概率波。
  这种解释很难让所有人信服,爱因斯坦直截了当地说上帝不会掷色子。薛定谔尤其不同意这个解释,于是设计了薛定谔猫的思想实验。用薛定谔自己的话来说,他要用这个恶魔般的装置,让人们闻之色变。
  薛定谔之墓
  薛定谔说:看吧,如果你们将波函数解释成粒子的概率波的话,就会导致一个既死又活的猫的荒谬结论。因此,概率波的说法是站不住脚的!
  打死那只猫
  让人意想不到的是,薛定谔的本意是要用薛定谔猫这个实验的荒谬结果,来嘲笑哥本哈根学派对量子力学、对薛定谔方程引进的波函数概念的概率解释。但实际上,这个假想实验使薛定谔自己站到了自己奠基的理论的对立面上,难怪有物理学家调侃地说道:薛定谔不懂薛定谔方程!
  这只猫的确令人毛骨悚然,相关的争论一直持续到今天。连当今伟大的物理学家霍金也曾经愤愤地说:当我听说薛定谔的猫的时候,我就跑去拿枪,想一枪把猫打死!

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