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薛定谔的猫是什么意思?

薛定谔的猫是什么意思?

薛定谔的猫是什么意思?薛定谔猫(英语:Schrödinger’s cat)是奥地利物理学者埃尔温·薛定谔于1935年提出的思想实验。通过此思想实验,薛定谔指出应用量子力学哥本哈根诠释于宏观物体会产生的问题,以及其与物理常识间的矛盾。在此思想实验里,由于先前发生事件的随机性质,猫会处于生存与死亡的叠加态。

根据退相干理论,猫不可能永远处于生存与死亡的叠加态,由于环境影响,会很快产生退相干效应,猫改而处于生存或死亡的经典统计学状态,因此一般而言,绝对无法观察到生存与死亡的叠加态。至今为止,物理学者只能精心制备出一些介观物体的叠加态。

薛定谔猫虽然是思想实验,但类似原理已应用于实际领域。在理论上研讨量子力学诠释问题时,薛定谔猫也时常会被提出,以作为试金石。

起源与动机

1935年,薛定谔原本目的是在用这思想实验来讨论EPR吊诡(因发表者阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基、纳森·罗森而命名)。EPR论文凸显了量子纠缠的怪异性质。假设两个量子系统相互作用,然后彼此分离,但其中任意系统都不处于明确态,则它们的量子态会叠加在一起,共同形成的量子态具有量子纠缠特性。根据哥本哈根诠释,当其中任意系统被测量之时,则两个系统纠缠在一起的量子态会坍缩为明确态。那时,薛定谔与爱因斯坦常互相通信,交换意见,研讨EPR论文的相关问题。在爱因斯坦写给薛定谔的8月8日信件中,他勾勒出一个“粗略宏观案例”:给定一桶不稳定的火药,在经过一段时间后,这桶火药会处于爆炸与不爆炸的叠加状态。

为了更进一步说明这现象,薛定谔回信描述原则上怎样能够将原子系统的叠加态转移至大尺度系统。他提出一个思想实验,假设把一只猫、一个装有氰化氢气体的玻璃烧瓶和放射性物质放进封闭的盒子里。猫的性命因此与原子核的状态密切相关。薛定谔表明,根据哥本哈根诠释,在实验进行一段时间后,猫会同时处于活状态与死状态(对于盒子外的世界而言),直到盒子被打开为止。薛定谔并不想要推销周旋于生死之间的猫这点子;恰恰相反,这吊诡采用的是一种经典反证法,试图借此显露出描述量子态所需倚赖的量子理论尚存瑕疵。薛定谔猫实验原本是专门设计来批驳哥本哈根诠释(在1935年的主要正统诠释)。现今,它仍旧是诠释量子力学的典型试金石。每一种诠释处理薛定谔猫实验的共同与特别之处,时常会被物理学者用来说明与比较这诠释的共同点、特别点、强点、弱点。

实验概述

薛定谔如此描述这实验:

实验者甚至可以设置出相当荒谬的案例来。把一只猫关在一个封闭的铁容器里面,并且装置以下仪器(注意必须确保这仪器不被容器中的猫直接干扰):在一台盖革计数器内置入极少量放射性物质,在一小时内,这个放射性物质至少有一个原子衰变的概率为50%,它没有任何原子衰变的概率也同样为50%;假若衰变事件发生了,则盖革计数管会放电,通过继电器启动一个榔头,榔头会打破装有氰化氢的烧瓶。经过一小时以后,假若没有发生衰变事件,则猫仍旧存活;否则发生衰变,这套机构被触发,氰化氢挥发,导致猫随即死亡。用以描述整个事件的波函数竟然表达出了活猫与死猫各半纠合在一起的状态。
类似这典型案例的众多案例里,原本只局限于原子领域的不明确性被以一种巧妙的机制变为宏观不明确性,只有通过打开这个箱子来直接观察才能解除这样的不明确性。它使得我们难以如此天真地接受采用这种笼统的模型来正确代表实体的量子特性。就其本身的意义而言,它不会蕴含任何不清楚或矛盾的涵义。但是,在一张摇晃或失焦的图片与云堆雾层的快照之间,实则有很大的不同之处。

——埃尔温·薛定谔,Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (The present situation in quantum mechanics)

薛定谔的著名思想实验提出一个很尖锐的问题:这系统从什么时候开始不再处于两种不同量子态共同组成的叠加态,转而坍缩为其中的一种?更技术性地说,由于薛定谔方程的线性性质,它不能促使这叠加态坍缩,它只能展示这叠加态随着时间演进而演化的可能结果。一个量子系统什么时候开始不再是几个量子态的线性组合(尽管这几个量子态中的每一个量子态都像是不同的经典状态,量子系统不能同时显现为几个经典状态,只能显现为其中一个经典状态),转而开始拥有唯一的经典描述?这就是这思想实验令人揣测之处。假若猫仍旧存活着,它一直只记得它存活着。但是,符合标准量子力学的诠释竟然要求,像猫、日记一类的宏观物体不必永久具有唯一的经典描述。这思想实验描绘出一幅表观的吊诡。直觉而言,观察者不能处于叠加的状态;可是,从这思想实验来思考,似乎猫可以处于叠加的状态。是否猫也必须成为观察者,或者,猫的存在于单独、良好定义的经典状态这案例,必需要求另外有一位外来观察者存在?

爱因斯坦觉得每一种选项都很荒谬,他特别觉得这思想实验极具凸显出这些论题的能力。1950年,在一封寄给薛定谔的信件里,他阐述:

只要一个人抱着诚实的科学态度,他就无法逃避实体这假设,除了劳厄以外,在当今物理学者中,只有你看到了这重点。大多数学者不了解他们对于实体所玩弄的是什么危险游戏,他们以为实验建立的结果与实体无关。可是,他们的诠释已被你的放射性物质+放大器+火药+猫这盒子系统精致地反驳。这系统的波函数既表现出生气蓬勃的猫,又表现出血肉模糊的猫。没有任何学者会真正质疑猫的存在或缺席与观察这动作无关。

劳厄指的是物理学者马克斯·冯·劳厄。注意到在薛定谔的思想实验里,并没有提到火药。他是使用盖革计数器为放大器,使用氰化氢来代替火药。在爱因斯坦15年前给出的原本建议里,提到了火药。显然地,爱因斯坦依旧牢记旧理论的惊奇威力。