薛定谔的猫——活猫还是死猫？

来源:用户上传      作者: 程奕涵

　　猫，要么是活的，要么是死的。但就有这么一只猫，我们不知道它是活的，还是死的，或者说它既是活的，又是死的。它叫薛定谔猫。
　　这只猫生活在一个不透明的盒子里，在这个盒子中放有猫喜欢吃的食物，还有一个毒药瓶。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变， 则放出阿尔法粒子， 触动电子开关， 锤子落下， 砸碎毒药瓶， 释放出里面的毒气， 此猫必死无疑。如果原子核未衰变，则不会激发这一系列的连锁反应，猫就不会被毒死。这个残忍的装置由大物理学家薛定谔所设计， 所以此猫便叫做薛定谔猫。
　　原子核的衰变是随机事件，我们所能精确知道的只是放射性原子的半衰期——衰变一半所需要的时间。但是， 我们却无法知道， 它在什么时候衰变。因为原子的状态不确定，所以猫的状态也不确定。我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切的知道此猫是死是活。如果没有揭开盖子进行观察，我们永远也不会知道此猫是死是活，它将永远处于半死不活的状态。这与我们的日常经验严重相违，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活呢？
　　其实，薛定谔的猫是关于量子理论的一个理想实验。量子力学是描述原子、电子等微观粒子的理论，它所揭示的微观规律与日常生活中看到的宏观规律很不一样。量子力学认为一切微观粒子既有波动性又有粒子性，既所谓的波粒二象性。所有的微观粒子诸如电子、质子、光子等都有一个奇怪的性质：它们在同一个时刻可以既在这里，又在那里，既是粒子又是波，就像有分身法术一样。微观粒子是粒子和波两象性矛盾的统一。为了描述微观粒子的状态，人们引入了波函数，微观粒子的波动呈现出它运动的一种统计规律，因此称此波动为概率波或概率波幅（即量子态）。概率波幅是量子力学世界里最基本最重要的概念，微观世界千奇百怪的特性就起源于这个量子态。微观粒子的量子态可以是线性叠加的，比如电子的轨道叠加。“叠加态”就是有几种本征态叠加在一起的粒子状态，这时这个粒子的状态是不确定的，只有当一个“测量”被进行的时候，才会呈现一个被测量到的状态，可能是该粒子的任何一种本征态。
　　在薛定谔的猫实验中，放射源何时放射粒子是不确定的，按量子力学解释是处于0和1的叠加态，那么在未打开盒子进行观察前，按量子力学解释这只猫也应处于死猫和活猫的叠加态，我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切地知道此猫是死是活。此时，猫的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道此猫是死是活，它将永远处于半死不活的叠加态。
　　薛定谔的实验把量子效应放大到了我们的日常世界，现在量子的奇特性质牵涉到我们的日常生活了，牵涉到我们心爱的猫究竟是死是活的问题。这个实验的巧妙之处在于，通过“电子开关——锤子——毒药瓶”这条因果链，将放射原子的“衰变——未衰变叠加态”与猫的“死——活叠加态”联系在一起，使量子力学的微观不确定性变为宏观不确定性，微观的混沌变为宏观的荒谬。一个人或许能接受电子处在叠加态的事实，但一旦谈论起宏观的事物比如我们的猫处在死/活的“叠加”状态，任谁都要感到一点畏首畏尾。难怪英国著名科学家霍金听到薛定谔猫佯谬时说：“我去拿枪来把猫打死！”薛定谔本人也把它描述成一个“恶魔般的装置”。
　　死活叠加的“薛定谔猫”成为现实，打破了微观量子和宏观经典的界限， 表明我们的物质世界原本上是一个量子力学的世界。虽然量子力学的规则在宏观尺度至少在普通情况下并不适用，但是在原则上量子力学理论确实可以用来描述我们日常生活的现实世界。只不过，在现实生活中，由于客观的退相干效应的存在，在量子向经典过渡的区域，量子物理学自动地还原为经典物理学， 从而使得宏观物体自动地遵循着经典物理学的规律行为。这样一来，当初用以质疑量子力学自洽性和普适性的“薛定谔猫佯谬”， 也就成为揭示自然隐藏于其背后深刻奥妙的帷幕。
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