韦德体育注册网页版 解读思想实验“薛定谔的猫”,为什么会出现“既死又活”的猫?

宇宙时空探索 1个月前 (11-17) 阅读数 2 #科技

量子力学的世界中,有一只被困在生与死之间模糊地带的薛定谔猫。放射性物质的衰变与否决定了这只猫的生死,而量子力学的奇异之处在于,在盒子被打开之前,我们无法确定猫的生死。这只奇异的猫启发了科幻作家无尽的幻想,也让许多人对量子领域充满好奇。今天,让我们尝试揭开笼罩在这只猫上的神秘面纱,探索其背后的真实。

在量子世界中,电子和光子同时展现出波动性和粒子性。当一个电子通过双缝,随着时间的推移,屏幕上将形成清晰的干涉图案。而薛定谔的猫设想,实际上是基于这个简单的双缝实验。想象一下,如果我们将光子一个接一个地射向双缝,在屏幕上依然会形成干涉条纹,这是因为单个光子在通过双缝时展现了波动性,与自身产生了干涉。

当科学家们试图追踪单个光子的路径,却惊奇地发现,即使只发射一个光子,干涉条纹依然存在。这似乎意味着,一个单一的光子在穿过缝隙时,能同时通过A缝和B缝,就像它在通过一个缝隙前分裂成了两半,分别通过两个缝隙一样。

然而,当我们试图通过观测来解开这个困惑,却发现观测行为本身改变了粒子的行为。一旦开始观测,粒子就只选择一条缝隙通过,干涉图案消失了。这表明,观测这一行为能够影响最终的结果,它能改变粒子的行为方式。

那么,观测究竟在何种情况下会改变结果?它对量子世界产生了何种影响?是否有特定的“观测者”能够引发这种改变?这个问题不仅涉及人类的观测,也涉及无机物、非生命体的影响。

薛定谔通过提出著名的猫的思维实验,将双缝实验的情景扩展到了宏观世界:

他设想一个封闭的盒子,

盒中置有一枚放射性原子,

当原子衰变时会释放毒气,

盒中还有一只猫,

在半衰期后,猫的命运如何?

这便是著名的薛定谔猫的思维实验。

当我们打开盒子,就如同进行了一次观测:

我们可能会发现放射性原子衰变了,猫已死亡。

或者我们发现一只活蹦乱跳的猫,原子尚未衰变。

就像在双缝实验中一样,原子衰变的概率是不确定的,它处于衰变与非衰变的叠加状态。这种叠加状态会影响到毒气的释放,进而决定了猫的生死,因此猫的状态也是一种量子叠加态。

薛定谔通过这个思维实验,并未真正宣称猫处于一种既死又活的叠加态,就像我们在双缝实验中观测到的光子干涉结果一样。他认为,就像在双缝实验中一样,在打开盒子之前,猫的生死就已经确定,即50%的概率是死,50%的概率是活。

他的真正意图是批判那些误解量子力学、得出荒谬结论的人——即认为盒子里是一只既死又活的猫。换言之,量子系统可以用所有可能状态的概率叠加来描述,而观测或测量总是呈现出一种确定的状态。

在薛定谔的猫的实验中,我们不确定量子衰变是否已经发生,猫的生死也是未知的。如果猫是一个量子系统,那么它既不是活着也不是死了,而是处于一种叠加状态,直到被观测。然而,我们永远无法看到一只既死又活的猫,因为观察意味着打开盒子,而打开盒子的结果是确定的。

真正的量子叠加态的解释实际上来自于双缝干涉实验的结果,当猫处于盒子中时,我们不观察它,它活的概率是100%,死的概率也是100%。然而,当我们打开盒子的一瞬间,猫死或活的概率各为50%。这正是哥本哈根学派波尔的解释,也是当今量子力学的主流观点。

基于哥本哈根学派对盒中之猫的解释,美国物理学家休·埃弗雷特提出了“平行宇宙”的理论。他认为,如果打开盒子时猫活着的信息是100%,那么另外100%关于死猫的信息则存在于另一个宇宙中,形成了平行宇宙的概念。

这就是从薛定谔的猫延伸出来的解释。当我们真正理解了双缝干涉实验中量子通过细缝的不确定性,对于猫的理解也会变得更加清晰。

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