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深度科普:為何沒有人做“薛定諤的貓”實驗,技術上很難嗎?

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簡單講,薛定諤的貓這一思想實驗,是薛定諤為了反駁尼爾斯·波爾所代表的哥本哈根學派對于量子現象的解讀而構想出的邏輯悖論,它屬于哲學的范疇,并不屬于科學實驗的范疇。



如果依照哥本哈根學派的詮釋,薛定諤的貓似乎注定處于生與死的奇妙疊加狀態。這無疑構成了一個悖論。如何解開這個悖論,便成了量子物理后續發展的哲學挑戰。

按照該學派的觀點,在量子領域,物質只有在被觀測的那一刻,才會真實存在。在未觀測之前,它們并不擁有現實的存在,此處的“真實”,是指經典物理學中的實在。



換句話說,在未觀測的情形下,物質實際上是以概率波的形式存在。只有通過觀測,概率波才會崩潰,轉化為經典物理世界中的實體。若將此觀點外推,便會遭遇到薛定諤的貓之悖論(此悖論提問:在觀測前,貓處于生死疊加態嗎?),同樣還有另一個不太為大眾所知的悖論:

當我們不凝望月亮時,它是否真實存在?



當視線移開月亮,它是否會化為一團概率波,散布于時空之中?只有在我們觀察它的時候,它才塌縮為經典物理世界中的月亮?

核心問題在于,觀測是否僅指人類的注視或測量?

在哥本哈根學派早期的解釋中,波爾等量子物理學家正是這么認為的,并且這一觀點至今仍被許多物理學家及愛好者所接受。但在人類誕生之前,整個宇宙是否都是一團概率波呢?量子物理學家們現如今解釋貓的生死悖論時認為,只要物質間發生互動,概率波就會塌縮形成經典物理學中的實在,無需外在的有意識觀察者。



貓本身就是一個觀察者,實驗裝置本身能自我觀察,而不需人去打開盒子確認貓的生死。雖然這種解釋并非人人接受。

實際上,無論打開與否,貓都不會處于生與死的疊加態,結果是明確的。只需放棄必須由有意識的人類觀測才算作觀測的哲學觀念。

難道真相不只一個?

在謀殺案件中,如某人能提供自己不在場的客觀證據,那么被害者顯然不是其親手所殺。至于是否雇兇,則是另一回事。現實世界中,你無法同時身處兩地。



然而,在量子領域,真相可能不止一個,或許是無窮多個。

電子雙縫實驗就似乎表明,電子同時通過了兩縫,處于兩個位置。通過精心設計的實驗,可以讓系統逐一釋放電子,使其通過雙縫,形成獨特的干涉圖案。對此,唯一合理的解釋便是:每個電子都同時通過了兩條縫。



無論是逐一釋放電子還是同時釋放大量電子,所形成的干涉圖案并無二致。

干涉圖案可以用愛因斯坦提出的波粒二象性來解釋:光子既是粒子也是波,它們互相干涉,形成明暗條紋。但單個電子或光子的實驗結果同樣,令人迷惑不解。

回顧原子結構:由原子核與電子組成,電子圍繞原子核旋轉,與行星繞恒星運動相似。電子層級分布,能量低的電子靠近核,能量高的遠離核。

當低能電子吸收光子,會跳躍至更高軌道,隨后回落釋放光子。



高能光子(如X射線、伽馬射線)對人體的傷害原理與電子躍遷有關。高能光子可讓電子擺脫原子核束縛,使得原子或分子失去電子成為正離子。這一過程即為電離,導致電離的輻射即醫院X光、CT檢查室外的危險標志。

如果物理學對原子的研究到此為止,一切似乎和諧無礙。

然而,1926年,奧地利物理學家薛定諤在滑雪假期間靈光一現,寫下了著名的波函數方程,該方程為其贏得諾貝爾獎,卻也成為葬送原本和諧量子世界的原因。從此,量子世界變得光怪陸離,引發物理學界兩大陣營的對立,一方以波爾為首,另一方以愛因斯坦領軍,而薛定諤本人也站在愛因斯坦一方,反對自己波函數方程背后所蘊含的哲學寓意。



薛定諤的波動方程如詩如畫,娓娓道出了量子世界中微觀粒子的奇異行為和特性,囊括了所有可能的狀態——能量、動量、位置等。然而,薛定諤本人卻未深諳自己所創方程的物理含義,他堅信它所揭示的并非電子這一實體粒子,波爾所言的電子軌道亦不存在。薛定諤認為,電子不過是一片彌散的電子波,即人們后來所稱的電子云。



然而,對這一困惑的解答掀起了一場激烈的辯論,不經意間導致了經典物理世界觀在量子世界中的崩潰。因果律——經典宏觀物理的主宰,在量子世界中被概率所取代。按照波爾的詮釋,電子的軌道便是波函數方程中概率密度最高的區域。確實,電子可以出現在任何地方,而且我們能借助薛定諤方程計算出它在任意位置出現的概率。但一旦觀測電子,它便會從那彌散的波狀中塌縮至一個確切的位置。

海森堡的測不準原理告訴我們,你對電子位置測量得越精確,對其動量的測量就越不準確,它們的乘積恰好等于普朗克常數。一種通俗的理解是,觀測行為本身會改變亞原子粒子的狀態。這引出了一個哲學問題:在未觀測之前,電子是否擁有確定的位置和動量?



經典物理世界觀認為,宏觀物體的位置和動量獨立于觀測而存在,是客觀現實的一部分。然而,波爾所倡導的哥本哈根解釋卻從哲學角度宣稱,海森堡測不準原理正是量子世界的本質,當我們不觀測量子系統時,電子同樣不具備確定的客觀位置和動量,所有一切都只是概率。

1927年,在索爾維物理學會議上,頂尖的物理學家分裂為三大陣營。奇妙的是,這場分裂卻推動了量子物理學的巨大發展。畢竟,你的對手越強大,你的勝利就越顯輝煌。



那次會議中,物理學家的全明星陣容,若三體中的智子真實存在,只需消滅這些人,我們現今許多先進技術將會煙消云散。他們都是量子物理學的奠基者,但所開啟之門背后的發現令他們分成三個陣營,這實際上是件幸事。

到了量子時代的后期,形成了三大流派:

注重實驗結果的實驗派,布拉格和康普頓為代表

哥本哈根學派,由波爾創建,波恩和海森堡為左膀右臂

反哥本哈根學派:以愛因斯坦為領袖,薛定諤和德布羅意為支柱

奧地利物理學家埃侖費斯特,因對量子物理拋棄因果律感到絕望而自殺。那次會議上,他寫信給弟子們說,愛因斯坦像一個彈簧玩偶,每天早上都帶著新的思想實驗挑戰波爾。而波爾總能運用哲學和物理學的工具,將愛因斯坦的思想實驗逐一擊潰。



愛因斯坦和波爾之間的主要分歧包括:

量子世界是否存在經典物理中的客觀實在,波爾否認這一點

經典物理的因果律在量子世界是否仍然適用,波爾認為不再適用

愛因斯坦曾言:“上帝不擲骰子。”然而,后續數十年的研究表明,上帝確實在擲骰子,有時甚至將骰子擲到我們看不見的地方。

新一代物理學家對哲學爭論感到厭倦,他們投身于量子世界的奇妙探索,只關注實驗結果,不理會隱藏其后的世界觀。這些物理學家獲得了一個又一個驚人的發現,并迅速轉化為改變世界的技術,如核彈、原子能、半導體、計算機等,如今我們所依賴的許多技術都建立在量子物理的發展之上。

而在這場論戰中,愛因斯坦提出了著名的“量子糾纏”悖論。



波爾對此的回應是:在觀測前,并不存在兩個分離的粒子,是觀測行為造就了兩個粒子,因此,不論它們相隔多遠,都是一個整體,而非獨立的兩個粒子。這解決了量子糾纏悖論中信息超光速傳遞的問題,因為這可能會違背狹義相對論。

有趣的是,量子糾纏竟然被證實了,技術進步使得曾經想象中的現象得以驗證,這成為愛因斯坦和波爾之爭最寶貴的成果之一。值得注意的是,這一現象并非由波爾主導的量子物理學家們首先設想出來的,這正體現了爭論的價值和意義。

薛定諤執著于量子糾纏,提出了讓波爾等人尷尬的生死貓悖論。面對愛因斯坦的量子糾纏悖論,波爾堅持觀測前只有概率,沒有經典力學中的客觀實在。對此,薛定諤提出了著名的生死貓悖論,追問波爾,哥本哈根學派只能倔強地回應說:在觀測前,貓處于既生又死的疊加態。至于這種疊加態是怎樣的體驗,則是另一回事。



薛定諤的這只貓逼瘋了許多量子物理學家,如霍金就曾表示,當他初聞薛定諤的貓悖論時,他的反應是想用槍終結這只貓的痛苦。

解決生死貓疊加態悖論的簡易方法是擴大觀測的概念,不是只有人的觀察才算數。實際上,整個實驗系統就在進行自我觀測,所謂觀測就是物質之間的相互作用。在該實驗中,記錄中子是否釋放的計數器便是一個觀測者,它決定了貓是生是死。

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