一只什么样的猫让全球物理界大咖们,跨越百

80年代初期,有一只猫,让“量子力学”名声大噪、家喻户晓,它就是薛定谔的猫。

01薛定谔是谁?

奥地利物理学家,量子物理的奠基人之一,曾获诺贝尔物理学奖,堪称量子力学界的牛顿。

量子物理主要研究的是原子、分子及亚原子粒子等微观物质的世界,被视为科学界最成功的理论。

薛定谔方程是什么?

又名薛定谔波动方程,将物质波的概念和波动方程相结合,建立二阶偏微分方程,可描述微观粒子的运动,每个微观系统都有一个相应的薛定谔方程式,通过解方程可得到波函数的具体形式以及对应的能量,从而了解微观系统的性质。

薛定谔方程,被视为量子物理的核心方程。到底有多么核心呢?这么跟你说吧,牛顿的三定律对经典力学有多重要,薛定谔的方程对量子物理就有多重要。

但薛定谔方程并不完美,这个著名的物理定律会被测量行为影响,一旦科学家们开始测量,波函数发生剧烈坍塌,薛定谔方程就会在测量过程中作废。

这个事情很怪异,就是说物理学家一旦观测到电子,它的波函数就发生变化,它不再遵循薛定谔方程,而是立马坍塌。

这样看来,量子物理好像并不适合用于人类,或者任何与人类体积接近的物质。

为什么量子物理只在微观世界成立?

如果说,宏观物体遵循牛顿经典力学,微观世界遵循量子物理,而这二者之间的边界在哪里呢?

如果量子物理只适用微小的物质,一旦物体尺寸超过一定范围,它就会失效,那么这个范围是什么,又是由什么决定的呢?

为了向同事阐述他的迷惑,“薛定谔的猫”便应运而生了。

02薛定谔的猫长啥样?

一只普通的猫,被著名物理学家放在了自己的思想实验里,于是,变成一只神奇的“生死叠加”状态的猫,从此,便闻名遐迩,流芳百世。

什么是思想实验呢?

那时候,最顶级的科学受当时科技水平限制,没有实验条件的情况下无法操作,只能靠理论推导,做思想实验来尝试证明。薛定谔的猫就是如此。

这只猫是如何变成“生死叠加”状态的呢?

第一步,在头脑中想象有一个密闭的盒子,如果不打开,完全看不到里面的情况。

盒子里有一瓶有毒氰化物,用玻璃瓶装着,玻璃瓶上方有一把悬挂的锤子,锤子另一端连接一个探测核辐射的盖格计数器,计数器正对着一小块放射性金属,里面含有一粒半衰概率为二分之一的镭元素。

把一只猫放进这个盒子,如果镭元素发生了半衰,盖格计数器转动,锤子落下,就会打碎氰化物瓶子,导致其泄露,猫会被毒死;如果镭元素没有发生半衰,氰化物不会泄露,猫安然无恙。

第二步,关上盒子等待。这个过程中,谁也不知道镭元素是否半衰,从量子力学来看,镭元素处于半衰和未半衰的叠加状态,猫也处于死和生的叠加状态。

在箱子打开之前,谁也不知道猫是死是生,它既是死的,也是活得。

薛定谔的猫,形象生动地描述了量子力学对“量子”不可测的状态,即当我们没有观察时,量子可以处于一种矛盾的“叠加态”,而当我进行观察时量子从“叠加态”坍缩为唯一确定的经典态。

这种情况下,以哥本哈根学派的解释,可以认为盒子里这只猫正处在一种“生死叠加”状态,也就是即生即死的状态。

03哥本哈根诠释是什么?

量子物理创立初期,玻尔一手创建了哥本哈根理论物理研究所。

往后在长达50年的时间里,这里聚集许多物理学家,几乎每一位量子物理界的伟人,都曾在这里研究和学习。

从开创量子物理的基本理论,到发现元素周期表背后的规律,再到利用核放射材料来观察活细胞,在这里工作的物理学家的成绩,几乎涉及科学界的所有领域。

海森堡、沃尔夫冈·泡利、玻恩、帕斯库尔·约尔当,等等,都是玻尔的徒弟。他们一起在这里创立了“哥本哈根诠释”。

“哥本哈根诠释”主要回答了,薛定谔在“薛定谔的猫”这一著名思想实验中提出的问题,以及所有物理学家对量子物理的疑惑:量子物理,跟现实世界究竟有什么关系?

根据哥本哈根诠释,这个问题的答案十分简单:量子物理跟我们生活的世界毫无关系。而且,这个诠释很快就成为量子物理的标准解释。

哥本哈根诠释表示:量子物理只是一个计算各种实验结果概率的工具。玻尔认为,我们不必去描述量子世界,因为“量子世界并不存在,存在的只是一个抽象的量子物理模型”。

就是这样一个诠释,引发了后来物理学家们几十年的研究和争论。其中就由著名的“爱玻之争”,也就是爱因斯坦和玻儿为首的各个物理学大咖,关于哥本哈根诠释的系列争论。

《谁找到了薛定谔的猫》这本书,讲述了一段有关这些现实争论的丰富多彩的历史。其中还包括曼哈顿计划,也即是二战爆发不久,美国是如何抢先纳粹德国一步造出核弹的?还有许多物理学家在研究中的不少奇闻轶事,感兴趣的朋友不容错过的一本书。



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