‘薛定諤的貓’也稱‘薛定諤佯謬’, 是指薛定諤為說明量子力學中的‘疊加
態’設計的一個思想實驗而導致的佯謬[1].
那麼, 首先我們需要了解, 什麼是‘疊加態’?
根據我們的日常經驗以及經典物理的觀點, 一個物體在某一時刻, 總會處於某個確定的位置. 比如此刻你在用的鼠標它就在那個確定的位置. 再比如, 我將一顆小球“隨機”的放入盒子A或者B中, 那麼這個小球不在A盒子中就在B盒子中, 兩者必居其一.
然而, 對於一個量子系統, 情況大不相同. 比如對於一個氫原子, 按照經典物理的認識, 是一個電子繞著質子作“軌道運動”. 但事實上, 電子並不是在繞著質子像行星繞著太陽那樣轉動, 我們無法知道電子的運動軌跡和方向，只能用電子雲來描述電子在核外出現的幾率，或者可以說電子同時處在電子雲中的任何一個位置, 只是在各個不同位置的幾率是不一樣的. 電子同時處在不同位置組合狀態, 叫做‘疊加態’. 這是微觀世界中量子疊加態的奇妙特點.
思想實驗的由來
1935年, 薛定諤對EPR(愛因斯坦-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的奇特性質, 其中就有對於諸如一個原子或光子的量子系統所處狀態的描述, 量子系統的狀態可以看作是處於所有可能結果的多重態的組合態. 哥本哈根詮釋認為, 一個量子系統, 當它與外部世界發生相互作用、或著被外部世界測量時, 系統的疊加態將坍縮成某一種可能的確定態. 否則, 將一直保持在疊加狀態.
薛定諤為了反駁量子力學的根本哈根詮釋的“荒謬”, 設計了一個思想實驗, 在這個思想實驗中引入了一隻既死又活的貓. 這隻貓就是有名的“薛定諤的貓”, 這是一隻處在同時既死又活的“疊加態貓”.
以下是‘薛定諤貓’的實驗描述.
把一隻貓放進一個封閉的盒子裡, 這個封閉的盒子內放置一個放射性原子、蓋革計數器和毒氣釋放裝置. 假定這個放射性原子在一小時內有50%的可能性發生衰變, 衰變時發射出一個粒子, 這個粒子將會被蓋革計數器探測到, 進而觸發毒氣裝置釋放毒氣, 將貓殺死. 那麼, 一小時之後, 這隻貓是死是活呢?
貓的生死將取決於放射性原子的狀態, 看它是否發生衰變. 這樣, 薛定諤就將微觀系統的狀態與宏觀事物的狀態一一對應. 而微觀粒子的狀態可以用波函數來描述, 那麼依照薛定諤的思想實驗, 貓的生死狀態將由波函數描述. 並且由於放射性原子核處於量子疊加態, 因此, 貓也將處於生死疊加態.
放射性原子核的狀態可以用量子態表述為：
其中
表示原子核的衰變態, │g>;表示原子核的穩定態.
因此, 密封盒子中貓的狀態可表述為：
顯然, 既死又活的貓是我們無法接受的.
直到一個人打開盒子, "貓態"塌縮
為
或者
在打開箱子之前, 放射性原子處於衰變與不衰變的疊加態, 這時貓也處於疊加態. 根據量子力學原理, 對於一個疊加態進行測量將導致疊加態塌縮到定態. 同樣地, 當我們對“薛定諤的貓”進行觀察將導致“疊加態的貓疊”“塌縮”到死或者活. 這就是說, 打開盒子前, 那隻貓究竟是死是活, 取決於出現的量子躍遷. 但從另一方面說, 貓的生或死, 在很大程度上將是打開盒子的結果. 直到打開盒子以前,不幸的貓繼續糾結於自己的死活狀態之中. 理論上講, 貓還是知道它自己是活的還是死的. 根據常理, 貓的生死是打開盒子前的“客觀存在”. 但根據量子測量假說, 處在疊加態的貓, 他的死活決定於打開盒子後的“觀察”. 看上去這個推論是不合理的, 因而稱之為“薛定諤貓佯謬”.
嚴格來講, 貓的生死與放射性原子的衰變是處於一種關聯狀態. 疊加態的貓可以描述為│ψ>=│e>ⓧ│死貓>+│g>ⓧ│活貓>, 其中第一個分量表示死貓與原子核的衰變態的關聯, 第二個分量表示活貓與原子核的穩定態的關聯. 這樣的一種關聯態實際上是量子糾纏態.
平行宇宙
關於薛定諤的貓, 包括愛因斯坦在內的許多科學家是持懷疑態度的. 有人認為：這個原因是由“平行宇宙”造成的, 即: 當我們打開盒子觀察時, 整個世界分裂成它自己的兩個版本. 這兩個版本在其餘的各個方面都是全同的. 唯一的區別在於其中一個版本中, 原子衰變了, 貓死了；而在另一個版本中, 原子沒有衰變, 貓還活著. 在量子多重世界中, 我們通過參與而選擇出自己的道路. “平行世界” 的優點是：薛定諤方程始終成立, 波函數從不坍縮, 由此它簡化了基本理論. 但問題是：設想過於離奇, 付出的代價是這些多重宇宙全都是同樣真實的. 這就難怪有人說：“在科學史上, 多重世界詮釋無疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論.”
儘管量子現象顯得如此神秘. 然而, 量子力學的結論卻早已在諸多方面被實驗證實, 被學術界接受, 在各行各業還得到各種應用, 量子物理學對我們現代日常生活的影響無比巨大. 以其為基礎而產生的電子學革命及光學革命將我們帶入瞭如今的計算機信息時代. 可以說, 沒有量子力學, 就不會有今天所謂的‘高科技’產業.
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References
[1] Schrödinger, Erwin (November 1935). "Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (The present situation in quantum mechanics)". Naturwissenschaften 23 (49): 807–812.
[2] Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? A. Einstein, B. Podolsky, and N. Rosen, Phys. Rev. 47, 777 (1935)
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