「岂有此理·物理卷」薛定谔的猫!

“薛定谔的猫”是奥地利物理学家薛定谔提出的关于量子力学的一个著名思想实验,也就是说在现实世界里不存在这样的实验。

「岂有此理·物理卷」薛定谔的猫!

根据量子力学,微观粒子总是处于多种状态的叠加态①。就比如在双缝干涉②实验时,电子或光子总能同时经过两条缝的叠加状态,但当人们有意识地观察追踪单个电子时,它们总是通过单缝,不存在叠加态了。

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但是,人的好奇心是无穷的。薛定谔设想了一个实验,将微观的不太直观的叠加态衍生为宏观可理解的叠加态。实验思想简单说就是:假设在一个密闭盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。该物质有50%的概率会衰变并放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率不会衰变而猫将活下来。当人们打开盒子观测时,会发现要么猫活着,要么猫被毒死了。

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但该实验的要害在于,当人们没有打开盒子观测时,该放射性物质处于各一半概率的衰变与不衰变的叠加状态,相应的猫也就处于死与不死的叠加状态。那么这究竟是一种什么状态?

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各派科学家展开了争论,结果是哥本哈根学派③占了主流,即当你的意识没参与观测时,猫的生死叠加态对于你是毫无意义的。而当你的意识参与观测,也就是打开盒子的那一刹那,你的意识将直接造成粒子叠加态的坍缩,粒子将会表现出衰变或不衰变的确定状态,从而决定了猫的生死。此时,你看的只是或生活死的猫,而看不到生死叠加态的猫。哥本哈根学派捍卫了“意识”的崇高地位,强调了意识对于实验结果的决定性。

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哥本哈根学派对量子力学的主流解释是:粒子总是处于多种状态的叠加态,而当人的意识一旦参与观测,粒子随即以一定概率坍缩为某个确定状态。同时,也宣布了叠加态的不可观察性。就像一枚抛在空中的硬币,它的正反面是叠加状态,但当意识参与进去,则正反面都只有二分之一的概率。

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人们没有进行这么残酷的现实实验,现实实验中不会存在叠加态。因为做实验的这个人赋予了意识,导致叠加态坍缩,所以就不会存在生死叠加态的猫。

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这个思想实验最终让人们探讨意识的本质到底是什么?因为薛定谔的猫是非常有趣的一个物理学事情,所以第一篇就讲讲薛定谔的猫,而且以后短期的物理卷封面就是薛定谔的猫了。

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最后来个小花絮:不知道为什么,有些学府的物理系或数学系楼附近,总有更多的学霸猫。而学霸狗出现在学校里,则没有选择科目。

备注解释

①叠加态:粒子的波动性源于波函数的叠加性质,而波函数代表了粒子的状态,因此由波的叠加性就可以得到态叠加原理(principle of superposition of states):如果

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都是体系的可能状态,那么,它们的线性叠加态缈也是这个体系的一个可能状态.用数学表达式表示出来,即为

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,式中,

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是复数。从态叠加原理的表述可以看出,这一原理是“波函数可以完全描述一个体系的量子态”和“波的叠加性”这两个概念的概括。

②双缝干涉:平行的单色光投射到一个有两条狭缝的挡板上,狭缝相距很近,平行光的光波会同时传到狭缝,它们就成了两个振动情况总是相同的波源称为相干波源,它们发出的光在档板后面的空间相互叠加,就发生了干涉现象。

③哥本哈根学派:哥本哈根学派是20 世纪 20 年代以玻尔领导的哥本哈根理论物理研究所为中心而形成的理论物理学派。由对量子力学的创造性研究和哲学解释而著名。主要代表人物有玻尔、海森堡等。该学派坚持从实验事实出发建立理论,并以实验结果检验自己的理论,打破经典力学的框框,重视微观世界同宏观世界的联系。他们曾创立量子力学、矩阵力学,发现测不准关系,提出量子力学的统计解释,还重视量子力学中哲学问题的研究,但受到实证主义思潮的影响。为解释测不准关系,玻尔提出“互补原理”。

温馨提示

小编学识有限,难免出错,敬请大家指出指导,谢谢!


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