薛定諤的貓一定的科學(xué)界最有名的科普故事。這只貓可以說是讓“量子力學(xué)”名聲大噪、家喻戶曉的第一功臣。

薛定諤的貓是什么？

“薛定諤的貓”是由奧地利著名物理學(xué)家薛定諤提出的一個(gè)著名思想實(shí)驗(yàn)，描述了如何將一只活潑可愛的貓變成“生死疊加”狀態(tài)。

下面是具體的操作步驟：

將一只可愛貓咪裝進(jìn)一個(gè)有量子系統(tǒng)機(jī)關(guān)的毒氣瓶的盒子里，然后密封至不可見。毒氣瓶的開關(guān)由一個(gè)24小時(shí)半衰期的放射性原子控制。

在這24小時(shí)內(nèi)，如果原子衰變了，放出α粒子就會觸動開關(guān)，毒氣瓶將被一個(gè)鐵錘砸碎，那貓就必死無疑；但如果原子沒有衰變，毒氣瓶完好如初，貓也就不會死去。

由于原子具體何時(shí)衰變我們無法確定，那這段時(shí)間內(nèi)盒子里的貓有可能還活著，也可能已經(jīng)死了，但只有我們打開盒子才能確定貓的生死。

這就好比量子力學(xué)對“量子”不可測的描述，當(dāng)我們沒有觀察時(shí)，量子可以處于一種矛盾的“疊加態(tài)”，而當(dāng)我進(jìn)行觀察時(shí)量子從“疊加態(tài)”坍縮為唯一確定的經(jīng)典態(tài)。

這種情況下，以哥本哈根學(xué)派的解釋，可以認(rèn)為盒子里這只貓正處在一種“生死疊加”狀態(tài)，也就是即生即死的狀態(tài)。

為什么要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)？

1926年，薛定諤憑借其深厚的微積分功底，推導(dǎo)出了“薛定諤方程”，并成功運(yùn)用它解釋了氫原子結(jié)構(gòu)，但作為數(shù)學(xué)大牛的薛定諤卻無法解釋薛定諤方程中波函數(shù)的物理意義。

我們知道，數(shù)學(xué)公式與物理公式最核心的區(qū)別就在于是否具有物理意義，如果沒有具體的物理意義就稱不上一個(gè)完整的理論。而后來德國物理學(xué)家馬克思·玻恩給薛定諤方程做出了一個(gè)讓人能夠理解的詮釋：

波函數(shù)描述的是一種概率波，只能計(jì)算在某個(gè)位置找到某個(gè)粒子的概率，觀察測量只能預(yù)測某一結(jié)果的概率，卻不能預(yù)測一定會得到什么結(jié)果。

玻恩的詮釋是一種概率詮釋，憑借這個(gè)詮釋，玻恩獲得了1954年諾貝爾物理學(xué)獎。

本來薛定諤應(yīng)該感謝玻恩，奈何薛定諤是支持愛因斯坦的“決定論派”，而玻恩的概率詮釋屬于“概率論派”并成為了著名的“哥本哈根解釋”，這讓薛定諤很憤懣。

雖然愛因斯坦與薛定諤都曾對量子力學(xué)起到了極大的推動作用，但對于玻爾主導(dǎo)的“哥本哈根解釋”一直持否定態(tài)度。但三次論戰(zhàn)，愛因斯坦都敗下陣來，無形中反而成就了量子力學(xué)的“哥本哈根解釋”。

在1955年愛因斯坦去世之后，作為愛因斯坦的嫡系大將的薛定諤憋了一個(gè)大招，就是“薛定諤貓”的思想實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)向玻爾一派宣戰(zhàn)。

薛定諤的本意是借這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，將量子態(tài)的不確定概念引入到宏觀世界，讓人們直觀體驗(yàn)一下“概率”描述的不靠譜。

其實(shí)這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)并不能證明什么？僅僅是再次發(fā)泄了薛定諤對于量子力學(xué)“哥本哈根解釋”的不滿，但他自己也知道提不出什么更好的解釋。

圍繞愛因斯坦與玻爾的量子論戰(zhàn)，出現(xiàn)的一系列思想實(shí)驗(yàn)，無非是科學(xué)家們哲學(xué)立場的針鋒相對，世界到底應(yīng)該由什么來支配？是決定論，還是概率論？

這個(gè)哲學(xué)思考，至今也沒有一個(gè)明確的答案。

簡單了解下“哥本哈根解釋”，為什么讓愛因斯坦、薛定諤等人難以接受

1、玻恩的波函數(shù)概率解釋：這個(gè)上面已簡單說了。

2、海森堡的不確定原理：有一些成對物理量，它們不可能同時(shí)被精準(zhǔn)測定，一個(gè)越確定另一個(gè)必定越不確定，此消彼長。

3、玻爾的互補(bǔ)原理：一些物理對象存在看似矛盾的多重屬性，原則上不可能用同一種方法同時(shí)看見其多種屬性，只能用不同是方法觀察到它們不同的屬性。

4、玻爾的對應(yīng)原理：量子的各種規(guī)則雖然適用于微觀尺度，但從規(guī)則中得出的結(jié)論不能違反宏觀上的觀察結(jié)果，而且宏觀尺度上還是遵循經(jīng)典物理學(xué)規(guī)則。也就是說，在大量子數(shù)極限的情況下，量子體系的運(yùn)動趨向經(jīng)典力學(xué)體系，量子物理定律和方程可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)典物理定律及方程。

5、疊加態(tài)原理：如果A和B是一個(gè)粒子的兩種狀態(tài)，那么A+B也是這個(gè)粒子的第三種狀態(tài)，并同時(shí)具有A\B的特征。

6、波函數(shù)坍縮：在一次測量與下一次測量之間，除了概率波函數(shù)以外，微觀物體不存在，它只有各種可能的狀態(tài)，只有進(jìn)行了觀察或測量，“可能”狀態(tài)才坍縮為實(shí)際的“確定”狀態(tài)。

看了是不是覺得頭大，為了描述一個(gè)量子，竟然總結(jié)了這么多原理。對于物理學(xué)追求的簡潔、統(tǒng)一來說，這無疑太多了。就像一個(gè)人說話，說了一大堆卻無法總結(jié)出一個(gè)中心思想一樣。

但這些結(jié)論卻與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果完美匹配，又缺一不可。然而在愛因斯坦、薛定諤等人心中量子力學(xué)的“哥本哈根解釋”是不完備的，絕不是量子力學(xué)的本質(zhì)，但作為量子力學(xué)的正統(tǒng)解釋，也沒有人能給出比“哥本哈根學(xué)派”解釋的更好。

“薛定諤的貓”催生“薛定諤貓態(tài)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

“薛定諤的貓”實(shí)質(zhì)可以看成是一個(gè)科學(xué)家的賭氣或玩笑，但它卻開啟了科學(xué)家們把微觀世界的量子特性引入宏觀世界來的實(shí)驗(yàn)探索。

2005年美國科學(xué)家就曾宣布成功讓6個(gè)鈹離子實(shí)現(xiàn)了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態(tài)，戲稱“薛定諤貓態(tài)”。

自此這樣的實(shí)驗(yàn)在世界各地大量的進(jìn)行著，不過目前的結(jié)果是所有的實(shí)驗(yàn)都無法持續(xù)，也就是無法讓量子疊加態(tài)持續(xù)出現(xiàn)在宏觀世界里。

但如果哪天真能做到，薛定諤的玩笑可就開大了，說不定我們還真能“生死疊加，不死不滅”呢？呵呵！