薛定谔的猫

处在生死叠加状态

1935年,量子力学的鼻祖之一、奥地利天才薛定谔提出科学史上最著名的一个臆想实验。他撰写了一篇题为《量子力学现况》的长篇论文,发表在一份顶尖的德文科学期刊里。这篇文章自此被昵称为“薛定谔的猫”。

薛定谔提出,如果将一只猫跟一部盖格计数器以及少量的放射性物质一起放在一个密闭箱子里一段时间,由于放射性物质的量极少,有50%的概率在1小时内只会有一个原子产生衰变,并释出一个次原子粒子(例如阿尔法粒子)。这将会触发盖格计数器,经由继电装置启动锤子打破一只小烧瓶,将氢氰酸释出到盒子里,立即置猫于死地。放射性物质不发生衰变,猫就存活。

薛定谔的猫对量子物理的意义(量子力学与心学)(1)

薛定谔的猫装置图

放射性原子衰变发生的时机,是一种在原则上也无法事先预测的量子事件。根据量子力学另外两位开山祖师玻尔与海森堡所提出的观点,并不是因为我们无法掌握预测所需的所有信息,而是因为在量子的层次上,大自然本身就不知道衰变何时会发生。

幽灵般的中间态

薛定谔认为:猫是由原子组成的,每一个原子都遵从量子力学的法则;当猫被放在箱子里,它也应该适用相同的量子法则。

如果原子未产生衰变,猫就会存活下来;如果发生衰变,猫就死了。如果原子同时处于这两种态,猫也必须同时处于两种态——活猫态和死猫态。这意味着,猫既不是真的活着也不是真的死了,而是处于一种模糊的、非物理的、介于两者之间的状态,只有当箱子打开,猫才会出现两种态的其中一种。

薛定谔的猫对量子物理的意义(量子力学与心学)(2)

这个异想天开的概念听起来如此的荒唐,但它并不只是理论物理学家们的疯狂猜测,而是科学上最强大而可靠的理论所做出的严谨预测。

当我们没有观测时,电子像云彩一样弥漫开来,分布在整个空间里。但是,当我们观测电子的位置时,波函数瞬间“坍缩”,化开的云彩又集中到某一点上,以一个确定的位置呈现。

不同的声音

玻尔和海森堡并不认为,盒子打开之前的猫确实同时处于死与活两种状态。

如果将猫换成一位自愿受试者,并且将致命的毒药换成只会导致自愿者失去意识的药剂,情况会变得如何呢?

薛定谔的猫对量子物理的意义(量子力学与心学)(3)

用一个观察自己的小猫咪来代替这个实验者吧

当箱子打开时会出现什么?显然,我们不会看到自愿者同时处于清醒态与昏迷态;如果他是清醒的,他会回报在整个过程中除了有点紧张之外,大致上觉得还不错。如果我们发现他已昏迷,在恢复意识后,他可能会告诉我们,在箱子关上后十分钟他就听到装置启动的声音,并且开始感到头昏。接下来就跳到被唤醒的画面了。

尽管单一原子能够处于量子迭加态,但自愿者显然不行。

想要进一步理解产生这种现象的原因,我们还要引入另一个概念……

观测影响存在

设想这样一种情形:在高能加速器中,由能量生成的一个电子和一个正电子朝着相反的方向飞行,在没有人观测时,两者都处于向右和向左自旋的叠加态,而进行观测时,如果观测到电子处于向右自旋的状态,那么正电子就一定处于向左自旋的状态。“电子向右自旋”和“正电子向左自旋”的状态是相关联的,这就是“量子相干性”。

薛定谔的猫对量子物理的意义(量子力学与心学)(4)

概念图

一旦遇到外界实体的观测,就会失去相干性。与外部环境发生作用使量子相干性衰减,即“退相干”(也叫作“消相干”,就是指相关性消失)。

盖格计数器能够记录原子是否衰变,所以它迫使原子做出决定。一旦我们进行观测,叠加态就会坍塌,我们的主观观测影响了客观物质的状态。

退相干不仅告诉我们为何不会看到薛定谔的猫生死叠加,也开宗明义地说明为什么猫不会处于这种中间态。但是退相干并没有告诉我们量子系统怎么选择某个选项。量子力学依然具有概率的性质,我们仍然有简单的统计概率可用。

心学与量子力学

根据百度百科,退相干效应指的是“当没有人看月亮时,月亮只以一定概率挂在天上;而当有人看了一眼后,月亮原来不确定的存在性就在人看的一瞬间突变为现实。

无独有偶,心学大师王阳明也曾提出过相似的理论。

先生游南镇,一友人指岩中花树,问曰:‘天下无心外之物,如此花树在深山中自开自落,于我心亦何关?’先生回答说:‘你未看此花时,此花与汝心同归于寂;你来看此花时,则此花颜色一时明白起来,便知此花不在你的心外”

薛定谔的猫对量子物理的意义(量子力学与心学)(5)

王阳明

,