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在量子力學(xué)中，“薛定諤的貓”引發(fā)了無(wú)數(shù)科學(xué)家和愛(ài)好者的思考與探討。 相信很多人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，它之所以被稱為 “思想實(shí)驗(yàn)”，是因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)世界中，受限于各種物理?xiàng)l件和技術(shù)水平，根本無(wú)法真正開(kāi)展這樣的實(shí)驗(yàn)，我們只能依靠豐富的想象力，在腦海中構(gòu)建實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，去探索其中蘊(yùn)含的科學(xué)奧秘。 薛定諤提出這個(gè)實(shí)驗(yàn)，其目的絕非偶然，而是有著深刻的科學(xué)背景和明確的目標(biāo)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，他是為了質(zhì)疑甚至諷刺以波爾為首的 “哥本哈根學(xué)派” 關(guān)于量子力學(xué)的不確定性理論。而薛定諤的貓這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，追根溯源，是基于雙縫干涉實(shí)驗(yàn)?zāi)橇钊朔艘乃嫉脑幃惉F(xiàn)象而提出的。 在深入探討薛定諤的貓之前，我們有必要先詳細(xì)了解一下電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)的裝置看似簡(jiǎn)單，卻蘊(yùn)含著足以顛覆人們傳統(tǒng)認(rèn)知的力量。實(shí)驗(yàn)裝置主要由三部分構(gòu)成：一個(gè)電子發(fā)射儀器，它負(fù)責(zé)逐個(gè)發(fā)射電子；一個(gè)帶有兩條狹縫的擋板，電子需要穿過(guò)這兩條狹縫；以及一塊接收電子的屏幕，用于呈現(xiàn)電子到達(dá)后的分布情況。 從我們?nèi)粘Ｉ畹慕?jīng)驗(yàn)和經(jīng)典物理學(xué)的認(rèn)知來(lái)看，電子一直被認(rèn)為是一種粒子。 按照常理，當(dāng)科學(xué)家通過(guò)電子發(fā)射儀器一個(gè)一個(gè)地朝著擋板發(fā)射電子時(shí)，電子應(yīng)該像子彈穿過(guò)靶心一樣，徑直穿過(guò)狹縫，最終在屏幕上呈現(xiàn)出兩條清晰的條紋。然而，科學(xué)實(shí)驗(yàn)的奇妙之處就在于，它常常會(huì)打破我們的固有思維，帶來(lái)意想不到的結(jié)果。
在電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際呈現(xiàn)的畫(huà)面讓所有科學(xué)家都大為震驚 —— 屏幕上出現(xiàn)的并不是兩條條紋，而是多條明暗相間的干涉條紋。這一結(jié)果清晰地表明，電子并非僅僅具有粒子的特性，它還展現(xiàn)出了波的特性。也就是說(shuō)，在這個(gè)微觀世界里，一個(gè)電子竟然可以同時(shí)穿過(guò)兩條狹縫，然后與 “另一個(gè)自己” 發(fā)生干涉，從而形成這些神奇的干涉條紋。 更令人感到不可思議的是，當(dāng)科學(xué)家們對(duì)電子究竟是如何同時(shí)穿過(guò)兩條狹縫這一問(wèn)題充滿好奇，試圖通過(guò)各種觀測(cè)手段去一探究竟時(shí)，詭異的現(xiàn)象再次出現(xiàn)。電子仿佛擁有了某種神秘的感知能力，能夠讀懂科學(xué)家們的心思。
一旦科學(xué)家開(kāi)始觀測(cè)，電子就 “乖乖” 地收起了波的特性，轉(zhuǎn)而表現(xiàn)出純粹的粒子性質(zhì)。此時(shí)，電子不再自己與自己發(fā)生干涉，而是老老實(shí)實(shí)地一個(gè)一個(gè)通過(guò)兩條狹縫，最終屏幕上呈現(xiàn)出的就只有兩條條紋了。 電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在科學(xué)界掀起了巨大的波瀾，讓無(wú)數(shù)科學(xué)家陷入了深深的苦惱之中。為了詮釋這種違背常理的詭異現(xiàn)象，各種觀點(diǎn)和理論如雨后春筍般涌現(xiàn)。在眾多理論中，最著名、影響力最大的當(dāng)屬 “哥本哈根學(xué)派” 提出的不確定性原理。 該原理指出，電子等微觀粒子的行為與我們宏觀世界中物體的行為截然不同，它們的行為是不確定的，這種不確定性并非是由于我們觀測(cè)手段的不足或者認(rèn)知的局限，而是微觀粒子本身所具有的內(nèi)在秉性。 在微觀世界里，粒子的位置和速度都不是確定的，我們無(wú)法像在宏觀世界中那樣，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)一個(gè)物體在某一時(shí)刻的具體位置和速度。我們只能運(yùn)用概率的方法，去描述微觀粒子可能出現(xiàn)在某個(gè)位置的概率，它們甚至可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)不同的地方，這在宏觀世界看來(lái)簡(jiǎn)直是天方夜譚。 同時(shí)，微觀粒子的狀態(tài)只能用波函數(shù)進(jìn)行概率描述。
在未對(duì)粒子進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，粒子處于一種由波函數(shù)描述的疊加態(tài)，它包含了粒子所有可能的狀態(tài)。而當(dāng)我們?cè)噲D觀測(cè)微觀粒子時(shí)，神奇的 “坍縮” 現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。所謂 “坍縮”，就是粒子的狀態(tài)會(huì)從多種可能的疊加態(tài)瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)確定的狀態(tài)，也就是我們觀測(cè)到的狀態(tài)。 總之，不確定性成為了微觀世界區(qū)別于宏觀世界的重要內(nèi)在屬性。 然而，并非所有科學(xué)家都認(rèn)同 “哥本哈根學(xué)派” 關(guān)于微觀世界的不確定性原理，其中薛定諤和愛(ài)因斯坦就是極力反對(duì)的代表人物。他們堅(jiān)信，世界從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是可觀測(cè)、可描述的，宇宙萬(wàn)物的運(yùn)行都遵循著一定的規(guī)律，只是我們目前還沒(méi)有完全發(fā)現(xiàn)和理解這些規(guī)律，而不是像 “哥本哈根學(xué)派” 所說(shuō)的那樣是不確定的。 為了有力地質(zhì)疑不確定性原理，薛定諤精心設(shè)計(jì)并提出了 “薛定諤的貓” 這個(gè)經(jīng)典的思想實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)的設(shè)定看似簡(jiǎn)單，卻蘊(yùn)含著深刻的科學(xué)內(nèi)涵。一個(gè)完全密閉的箱子，將外界的一切干擾都隔絕開(kāi)來(lái)。在這個(gè)箱子里，放置著一個(gè)毒氣瓶、一些放射性物質(zhì)、一個(gè)開(kāi)關(guān)，還有一只無(wú)辜的貓。其中，放射性物質(zhì)具有半衰期，它會(huì)通過(guò)衰變來(lái)控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，而開(kāi)關(guān)又直接控制著毒氣瓶是否釋放毒氣。 根據(jù)量子力學(xué)的理論，放射性物質(zhì)的衰變與否是完全不確定的。在我們沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，它處于一種奇妙的 “衰變與不衰變” 的疊加態(tài)。由于放射性物質(zhì)的衰變狀態(tài)控制著開(kāi)關(guān)，所以開(kāi)關(guān)也就相應(yīng)地處于 “開(kāi)與關(guān)” 的疊加態(tài)。毒氣瓶與開(kāi)關(guān)相連，自然就處于 “打開(kāi)與不打開(kāi)” 的疊加態(tài)。最終，箱子里的貓就陷入了一種奇特的 “生與死” 的疊加態(tài)。 當(dāng)我們好奇地想要知道貓到底處于什么樣的狀態(tài)時(shí)，就必須打開(kāi)箱子進(jìn)行觀察。然而，我們打開(kāi)箱子后看到的并不是一只 “既死又活” 的貓，而是一只 “要么活要么死” 的貓。但按照 “哥本哈根學(xué)派” 量子力學(xué)的不確定性詮釋，在打開(kāi)箱子之前，貓的確應(yīng)該處于 “既死又活” 的疊加狀態(tài)，而這種狀態(tài)在現(xiàn)實(shí)生活中顯然是不可能出現(xiàn)的。 薛定諤將這個(gè)看似荒唐的實(shí)驗(yàn)結(jié)果講述給波爾等 “哥本哈根學(xué)派” 的成員，希望他們能夠給出合理的解釋。面對(duì)薛定諤的質(zhì)疑，波爾等人給出了自己的觀點(diǎn)。
他們認(rèn)為，貓的狀態(tài)在人們打開(kāi)箱子之前其實(shí)就已經(jīng)是確定的了，人們打開(kāi)箱子的行為僅僅是查看一下貓的狀態(tài)而已，這并不意味著量子世界也是確定的。波爾進(jìn)一步解釋道，觀測(cè)并不局限于人類有意識(shí)的行為，在箱子里的貓同樣可以被視為一種 “觀測(cè)者”。 貓的存在會(huì)對(duì)放射性元素產(chǎn)生影響，進(jìn)而讓放射性元素的 “疊加態(tài)” 變成 “本征態(tài)”，也就是確定狀態(tài)。但波爾的這種解釋并沒(méi)有消除薛定諤和愛(ài)因斯坦的疑慮，他們依然認(rèn)為這種解釋無(wú)法自圓其說(shuō)，不能讓人完全信服。 在這場(chǎng)激烈的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論之后，為了試圖解釋量子世界的種種詭異現(xiàn)象，平行宇宙理論、多維空間理論、隱變量理論，甚至還有意識(shí)局定論等多種理論紛紛涌現(xiàn)。
平行宇宙理論認(rèn)為，在我們觀測(cè)的瞬間，宇宙會(huì)分裂成多個(gè)平行的宇宙，在不同的宇宙中，貓有著不同的狀態(tài)；多維空間理論則試圖從更高維度的空間結(jié)構(gòu)來(lái)解釋量子現(xiàn)象；隱變量理論堅(jiān)信，在量子世界的背后，還隱藏著我們尚未發(fā)現(xiàn)的變量，這些變量決定了粒子的行為，只是我們目前還沒(méi)有找到它們；意識(shí)局定論則將意識(shí)與量子現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，認(rèn)為意識(shí)在觀測(cè)過(guò)程中起到了決定性的作用。 然而，這些理論雖然都從不同的角度對(duì)量子世界進(jìn)行了解讀，但都存在著各自的局限性，無(wú)法完全令人信服。
最終，“貝爾不等式” 的出現(xiàn)，似乎給這場(chǎng)持續(xù)多年的爭(zhēng)論給出了 “終極裁決”。通過(guò)一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，“貝爾不等式” 表明：我們的世界真的是不確定的，具有非定域性，也就是說(shuō)，微觀粒子之間的相互作用似乎可以超越空間和時(shí)間的限制，這與我們?cè)诤暧^世界中所理解的物理規(guī)律大相徑庭。
從某種意義上來(lái)說(shuō)，這意味著 “上帝真的會(huì)擲骰子”，量子世界的不確定性成為了現(xiàn)代物理學(xué)的主流認(rèn)知，愛(ài)因斯坦所堅(jiān)持的觀點(diǎn)在目前的實(shí)驗(yàn)和理論框架下似乎并不成立。 然而，科學(xué)的探索是永無(wú)止境的。雖然目前量子世界的不確定性得到了廣泛的認(rèn)可，但也有不少科學(xué)家認(rèn)為，在量子世界的背后，或許真的隱藏著更加深?yuàn)W的隱變量，它們?nèi)缤衩氐拿婕啠却磥?lái)的科學(xué)家們?nèi)ソ议_(kāi)。 也許在不久的將來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和新理論的誕生，我們能夠?qū)α孔邮澜缬懈羁獭⒏娴恼J(rèn)識(shí)，從而解開(kāi) “薛定諤的貓” 這個(gè)困擾科學(xué)界多年的謎題。 |
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來(lái)自： 宇宙時(shí)空探索 > 《待分類》
