薛定諤的貓

‘薛定諤的貓’也稱‘薛定諤佯謬’, 是指薛定諤為說(shuō)明量子力學(xué)中的‘疊加

態(tài)’設(shè)計(jì)的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)而導(dǎo)致的佯謬[1].

薛定諤

那么, 首先我們需要了解, 什么是‘疊加態(tài)’?

根據(jù)我們的日常經(jīng)驗(yàn)以及經(jīng)典物理的觀點(diǎn), 一個(gè)物體在某一時(shí)刻, 總會(huì)處于某個(gè)確定的位置. 比如此刻你在用的鼠標(biāo)它就在那個(gè)確定的位置. 再比如, 我將一顆小球“隨機(jī)”的放入盒子A或者B中, 那么這個(gè)小球不在A盒子中就在B盒子中, 兩者必居其一.

然而, 對(duì)于一個(gè)量子系統(tǒng), 情況大不相同. 比如對(duì)于一個(gè)氫原子, 按照經(jīng)典物理的認(rèn)識(shí), 是一個(gè)電子繞著質(zhì)子作“軌道運(yùn)動(dòng)”. 但事實(shí)上, 電子并不是在繞著質(zhì)子像行星繞著太陽(yáng)那樣轉(zhuǎn)動(dòng), 我們無(wú)法知道電子的運(yùn)動(dòng)軌跡和方向，只能用電子云來(lái)描述電子在核外出現(xiàn)的幾率，或者可以說(shuō)電子同時(shí)處在電子云中的任何一個(gè)位置, 只是在各個(gè)不同位置的幾率是不一樣的. 電子同時(shí)處在不同位置組合狀態(tài), 叫做‘疊加態(tài)’. 這是微觀世界中量子疊加態(tài)的奇妙特點(diǎn).

思想實(shí)驗(yàn)的由來(lái)

1935年, 薛定諤對(duì)EPR(愛(ài)因斯坦-波多爾斯基-羅森, 1935)論文[2]做了一次討論. EPR論文提到了量子疊加態(tài)的奇特性質(zhì), 其中就有對(duì)于諸如一個(gè)原子或光子的量子系統(tǒng)所處狀態(tài)的描述, 量子系統(tǒng)的狀態(tài)可以看作是處于所有可能結(jié)果的多重態(tài)的組合態(tài). 哥本哈根詮釋認(rèn)為, 一個(gè)量子系統(tǒng), 當(dāng)它與外部世界發(fā)生相互作用、或著被外部世界測(cè)量時(shí), 系統(tǒng)的疊加態(tài)將坍縮成某一種可能的確定態(tài). 否則, 將一直保持在疊加狀態(tài).

薛定諤為了反駁量子力學(xué)的根本哈根詮釋的“荒謬”, 設(shè)計(jì)了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn), 在這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)中引入了一只既死又活的貓. 這只貓就是有名的“薛定諤的貓”, 這是一只處在同時(shí)既死又活的“疊加態(tài)貓”.

以下是‘薛定諤貓’的實(shí)驗(yàn)描述.

把一只貓放進(jìn)一個(gè)封閉的盒子里, 這個(gè)封閉的盒子內(nèi)放置一個(gè)放射性原子、蓋革計(jì)數(shù)器和毒氣釋放裝置. 假定這個(gè)放射性原子在一小時(shí)內(nèi)有50%的可能性發(fā)生衰變, 衰變時(shí)發(fā)射出一個(gè)粒子, 這個(gè)粒子將會(huì)被蓋革計(jì)數(shù)器探測(cè)到, 進(jìn)而觸發(fā)毒氣裝置釋放毒氣, 將貓殺死. 那么, 一小時(shí)之后, 這只貓是死是活呢?

貓的生死將取決于放射性原子的狀態(tài), 看它是否發(fā)生衰變. 這樣, 薛定諤就將微觀系統(tǒng)的狀態(tài)與宏觀事物的狀態(tài)一一對(duì)應(yīng). 而微觀粒子的狀態(tài)可以用波函數(shù)來(lái)描述, 那么依照薛定諤的思想實(shí)驗(yàn), 貓的生死狀態(tài)將由波函數(shù)描述. 并且由于放射性原子核處于量子疊加態(tài), 因此, 貓也將處于生死疊加態(tài).

放射性原子核的狀態(tài)可以用量子態(tài)表述為：

, 其中│e>表示原子核的衰變態(tài), │g>表示原子核的穩(wěn)定態(tài).

因此, 密封盒子中貓的狀態(tài)可表述為：

.顯然, 既死又活的貓是我們無(wú)法接受的.

直到一個(gè)人打開(kāi)盒子, '貓態(tài)'塌縮

或者為

在打開(kāi)箱子之前, 放射性原子處于衰變與不衰變的疊加態(tài), 這時(shí)貓也處于疊加態(tài). 根據(jù)量子力學(xué)原理, 對(duì)于一個(gè)疊加態(tài)進(jìn)行測(cè)量將導(dǎo)致疊加態(tài)塌縮到定態(tài). 同樣地, 當(dāng)我們對(duì)“薛定諤的貓”進(jìn)行觀察將導(dǎo)致“疊加態(tài)的貓疊”“塌縮”到死或者活. 這就是說(shuō), 打開(kāi)盒子前, 那只貓究竟是死是活, 取決于出現(xiàn)的量子躍遷. 但從另一方面說(shuō), 貓的生或死, 在很大程度上將是打開(kāi)盒子的結(jié)果. 直到打開(kāi)盒子以前,不幸的貓繼續(xù)糾結(jié)于自己的死活狀態(tài)之中. 理論上講, 貓還是知道它自己是活的還是死的. 根據(jù)常理, 貓的生死是打開(kāi)盒子前的“客觀存在”. 但根據(jù)量子測(cè)量假說(shuō), 處在疊加態(tài)的貓, 他的死活決定于打開(kāi)盒子后的“觀察”. 看上去這個(gè)推論是不合理的, 因而稱之為“薛定諤貓佯謬”.

嚴(yán)格來(lái)講, 貓的生死與放射性原子的衰變是處于一種關(guān)聯(lián)狀態(tài). 疊加態(tài)的貓可以描述為│ψ>=│e>│死貓>+│g>│活貓>, 其中第一個(gè)分量表示死貓與原子核的衰變態(tài)的關(guān)聯(lián), 第二個(gè)分量表示活貓與原子核的穩(wěn)定態(tài)的關(guān)聯(lián). 這樣的一種關(guān)聯(lián)態(tài)實(shí)際上是量子糾纏態(tài).

平行宇宙

關(guān)于薛定諤的貓, 包括愛(ài)因斯坦在內(nèi)的許多科學(xué)家是持懷疑態(tài)度的. 有人認(rèn)為：這個(gè)原因是由“平行宇宙”造成的, 即: 當(dāng)我們打開(kāi)盒子觀察時(shí), 整個(gè)世界分裂成它自己的兩個(gè)版本. 這兩個(gè)版本在其余的各個(gè)方面都是全同的. 唯一的區(qū)別在于其中一個(gè)版本中, 原子衰變了, 貓死了；而在另一個(gè)版本中, 原子沒(méi)有衰變, 貓還活著. 在量子多重世界中, 我們通過(guò)參與而選擇出自己的道路. “平行世界” 的優(yōu)點(diǎn)是：薛定諤方程始終成立, 波函數(shù)從不坍縮, 由此它簡(jiǎn)化了基本理論. 但問(wèn)題是：設(shè)想過(guò)于離奇, 付出的代價(jià)是這些多重宇宙全都是同樣真實(shí)的. 這就難怪有人說(shuō)：“在科學(xué)史上, 多重世界詮釋無(wú)疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論.”

盡管量子現(xiàn)象顯得如此神秘. 然而, 量子力學(xué)的結(jié)論卻早已在諸多方面被實(shí)驗(yàn)證實(shí), 被學(xué)術(shù)界接受, 在各行各業(yè)還得到各種應(yīng)用, 量子物理學(xué)對(duì)我們現(xiàn)代日常生活的影響無(wú)比巨大. 以其為基礎(chǔ)而產(chǎn)生的電子學(xué)革命及光學(xué)革命將我們帶入了如今的計(jì)算機(jī)信息時(shí)代. 可以說(shuō), 沒(méi)有量子力學(xué), 就不會(huì)有今天所謂的‘高科技’產(chǎn)業(yè).