▌薛定谔的猫是一个量子力学思维实验,它是一只既是活着状态、又是死亡状态、两个状态并存的最神奇的猫。

薛定谔的猫是什么量子现象(薛定谔的猫一只猫能既生又死吗)(1)

猫是人类的好朋友,人们都喜欢撸猫。有这样一只猫,在物理学界,被广大科学家们撸了近一个世纪!科学家们用这只猫,向大家展示了一个完全与众不同的微观世界,这只猫的存在与我们生活常识极其相悖、难以理解。我们普通人以生活视角第一次新认识这只猫,无一例外都会感到万分不可思议,感到异常的奇妙。它,就是“薛定谔的猫”!

为什么连科学家们都热爱撸“薛定谔的猫”了?答案是——这不是一只普通的猫,它竟然是一只既是生存状态、又是死亡状态、两个状态并存的,最神奇的猫!

薛定谔的猫是什么量子现象(薛定谔的猫一只猫能既生又死吗)(2)

薛定谔的猫,顾名思义,是奥地利著名物理学家薛定谔(Erwin Schrödinger)于1935年假设存在的一只猫。薛定谔完整的假设是这样的:将一只乖巧惹人爱的猫咪,放入一个完全隔绝的盒子里。盒子里还有一个装有少量镭的触发机器,和一瓶氰化物毒气。因为镭具有放射性,在这个盒子里,如果镭衰变了,将会触发机器,打破氰化物毒气瓶,使得猫中毒死亡;如果没有衰变,机器不会被触发,氰化物毒气瓶不会打破,猫咪仍然活泼乱跳的玩耍着。

根据量子力学理论,由于放射性的镭衰变‬具有‬随机性‬,处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,而镭的状态连接着猫的状态,那么猫就竟然处于活猫和死猫的叠加状态!它的生死竟然是不确定的!

这就是著名的“薛定谔的猫”思想实验。这只猫的‬最终‬状态‬,需要我们打开盒子时,才能知道它到底是活泼乱跳的,还是已经被氰化物毒死;如果我们不打开盒子观察,它就一定是持续处在活猫和死猫的叠加状态。

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薛定谔的假设,是基于量子力学(Quantum Mechanics),是量子力学原理连接宏观物体的形象例子。不确定性、随机性、叠加态是量子力学的典型特征。量子力学的科学理论,使得薛定谔的猫确实是存在的,确实是既生又亡的!

然而生活常识告诉我们,人们身边可爱的猫咪,是一只生命体,它的状态要么是活着的,要么是死亡的,绝不可能既是活的又是死亡的。生活中,活着的猫,它就没有死亡;死去的猫,它也绝不可能复活回来。

这就使得人们最初认识薛定谔的猫时,都感到非常的不可思议!

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薛定谔的猫这样有悖于常识的假设,当时连我们心中最伟大的科学家——爱因斯坦(Albert Einstein)都表示坚决反对!他说上帝是不掷骰子的,薛定谔的猫要么是活着的,要么是死亡的。不可能是既活着又死亡的叠加态。

颇为有趣的是,当时薛定谔假设这只猫的存在,也是将其提出反对量子力学的!因为人们难以接受既活着又死亡的叠加状态,这肯定违背了一般常识。薛定谔向量子力学科学家挖苦道,按照量子力学的解释,容器中的猫处于“活-死叠加态”——既死了又活着。要等到打开容器看猫一眼才决定其生死。人们看一眼就导致了猫生或者猫亡。

但事实就是如此的奇妙,量子力学中,薛定谔这只猫的生死确实是不确定的,处于叠加态中!

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当时薛定谔的猫思想实验一经提出,立即引发物理学界轩然大波,未等炒作就已经如日中天。科学家面临着最现实的问题,就是这个世界上真的存在既死又活着的猫吗?

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以波尔(Niels Henrik David Bohr)为代表的哥本哈根学派站出来指出,薛定谔的猫就是存在的!在量子世界之下,薛定谔的猫确实就是一只既是生存状态、又是死亡状态、两个状态叠加并存的猫!这是符合量子力学科学的。正因为你没有打开盒子观察,镭衰变遵从波函数随机分布,那么猫就处于未知生死的叠加态中;一旦你打开盒子去观察它,有了观察者的介入,镭衰变的波函数立即崩塌,镭被确定为要么发生了衰变、要么未发生衰变,猫随即呈现出生、或者是死的一个确定性的结果给你。这样,薛定谔的猫后来却又成为了量子力学打破质疑的力证之一。

那么量子力学连接下的猫,就如何可以做到与众不同,既生又亡呢?

因为在量子世界中,微观粒子在没有被观测之前,它就没有确定的状态,从理论上来说它拥有无数种可能性,它可能处于任何一种状态,处于任何一个位置,它的存在是随机的。只有当微观粒子被人观测后,微观粒子的多种状态才会消失,它的叠加态会立即崩塌,变成可以确定位置的本征态。这里的多种状态指的就是叠加态。薛定谔的猫,就是量子世界叠加态的形象展示。

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量子力学的奇妙,引起了众多科学家踊跃研究。诸多物理学家对薛定谔的猫继续开展了深入地研究(科学家们也拥有着一定要将可爱的猫咪一撸到底的精神),先后提出了薛定谔方程、平行宇宙、量子相干性、量子自杀等众多解释,大为开阔了人们对微观世界的认知。量子力学的主要论点逐渐得到了物理学界的广泛支持,如:微观世界的不确定性、叠加态、非定域性等等。至今,量子力学与相对论一起构成了现代物理的两大支柱。

理解量子力学,可以举一个简单的例子:电子的运动。在原子里面,电子运动是一个“电子云”形态。原子由原子核和核外电子组成,电子每时每刻都在围绕原子核高速运动。但是电子的真实运动和你所理解的电子运动是不一样的——电子是一会出现在原子核周围这里,又立即从这里消失,随机又同时出现,呈现随机的“跳跃”状态。

核外电子没有明确的运动轨道,它出现在原子核周围任意一个地方都是随机的、不可预测的。然而核外电子有确定的运动规律——离原子核近处,黑点密度大,电子出现机会多、概率大;离原子核远处,电子出现机会少、概率低。这就是微观领域中的不确定性。这就是典型的量子世界的运行逻辑,那么地与众不同。

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薛定谔的猫,向我们直观展示了量子世界的奇妙。量子世界的物理逻辑,和宏观世界存在着巨大的不同。量子世界存在的诸多现象,和人们平时认知的常识,是大相径庭的。同样著名的“光子双缝干涉实验”,也为我们了解量子世界的奇妙之处提供直观的展示。

量子力学中有太多违背常识的地方。微观世界的物理学,比我们想象的更加精彩绝伦,科学家们孜孜不倦地探索,正使得量子状态下的世界和科学理论更加清晰、直观地展示在世人面前,并为人类造福。

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“有趣、神奇的物理现象,共同构成了大千世界丰富万分、魅力无限的精彩生活。”

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