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“薛定谔的猫”,看到这个名字,我们会想到两个问题,一个关于猫,这是一只什么样的猫,它怎么了,一个关于人,薛定谔是谁,他是养猫人吗薛定谔的猫这梗怎么用 。接下来我们就来了解薛定谔的猫到底是怎么回事 。
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1887年,埃尔温·薛定谔出生在奥地利维也纳附近的埃德伯格,他的一生对色彩理论、哲学、东方宗教深感兴趣 。他是奥地利物理学家,量子力学奠基人之一,发展了分子生物学,他是维也纳大学哲学博士,苏黎世大学、柏林大学和格拉茨大学教授,在都柏林高级研究所理论物理学研究组中工作17年,曾经获1933年诺贝尔物理学奖 。的确,他有很高的科学成就,从眼神和表情看得出来,大家对这位伟大的科学家非常钦佩和羡慕 。那他的猫是怎么回事?
世界上有很多著名的猫,比如你知道的加菲猫,Kitty猫,哆啦A梦,会说话的汤姆猫,还有你家里养的宠物猫 。
而今天讲的这只猫非常可怜,它被封在一个盒子里,盒子里有食物也有毒药 。毒药瓶上有一个锤子,锤子由一个电子开关控制,电子开关又由放射性原子控制 。如果原子核衰变,释放出粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,释放出里面的气体,猫必死无疑 。这个残忍的装置就是由薛定谔所设计,这个实验就叫做薛定谔的猫 。
在这个实验里,放射性物质可能会衰变,然后释放出毒气,杀死这只猫,也有可能放射性物质不会衰变,那么猫就会活下来 。
这两种可能的机会各占一半,就像上面这张鸭兔错觉图,当我们把它看成一只鸭子的时候,兔子的形象便消失了,而当我们把它看成一只兔子的时候,鸭子的形象就消失了 。这两种形象不可能同时出现在一个人的视野中 。
大家玩“手心手背”的游戏时,我们伸出手掌,出现的不是手心就是手背,又比如我们抛出的硬币,它落地时不是正面朝上,就是反面朝上 。这都是一样的道理 。
其他科学家也认为,盒子里一定会发生这两个结果中的一种,猫要么活要么死,但是结果究竟如何,只有打开盒子才能知道 。
而薛定谔认为,当盒子关闭时,盒子里的猫有可能活着也有可能死去,也就是两种情况是同时存在的,这只猫既死了又活着,或者是半死不活 。猫到底是死是活,必须打开盒子观察后才知道,如果不打开盒子观察,那么猫将永远半死不活,既死又活 。他想告诉人们,你没有看到,你不了解,并不代表它没有发生 。
薛定谔的猫引起当时及以后科学家的广泛议论和研究,但盒子里那只可怜的猫的命运到底如何?它是死是活,人们依然没有找到答案 。
英国著名科学家霍金听到薛定谔的猫这个实验时,说:“我去拿枪来把猫打死!” 可见,这个问题让科学家有多么困扰 。
古希腊哲学家苏格拉底曾经说:“怀疑是无限的探求 。”怀疑是一种可贵的科学精神,它推动了科学和人类事业不断地向前发展,我们也应该拥有这样的精神来面对现在的学习和未来的工作 。
如果你有兴趣解救那只猫,就赶快好好学习,掌握更多的科学知识,将来你也可以跟科学家一起研究薛定谔的猫到底是死是活的问题 。
“薛定谔的猫”思想实验本意,其实是讽刺哥本哈根学派对量子力学的“叠加态”解释 。最后,却成为了量子力学的一个最有名的科普故事 。双缝干涉实验的恐怖之处在于,一个微粒子竟然具有波动性与粒子性两种状态 。另外,通过人为观察,它还能做出状态改变,甚至产生“逆时空”的错觉 。
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因为这两个实验,之前我已经分别详细地解释过了,这再大概阐述下背后的思想 。
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先说说确定薛定谔的猫吧 。
任何实验的出现,其实都是有时代背景和人文背景的,科学实验也不例外 。
“薛定谔的猫”这个思想实验,出现于爱因斯坦“决定论”与玻尔“概率论”交锋的最后战场上 。这时,爱因斯坦已经去世了,但是作为爱因斯坦手下第一大将的薛定谔,化悲愤为力量憋出了这个大招,来表达他的不满 。
为什么不满?
因为,对量子力学的概率解释,以爱因斯坦为首的薛定谔一方是非常难以接受的 。
你想想,我爱因斯坦创造了“光子”概念,你玻尔给我一堆模棱两可的概率解释,大家都还支撑你,我很郁闷 。
再想想,我薛定谔创造了“波函数”,你玻恩也给出一个我无法接受的概率解释,你还得了诺奖,我很愤懑 。
都是我们创造的东西,你们一伙只靠一个解释就牛逼了,还圈粉加V 。苦力活都是我们做的,好处全被你们捞走了,能不愤怒吗?
(这样悲痛的心情,我是理解的)
这里其实也能看出,在物理学中,物理概念大于数学公式的重要性,理解大于应用 。
说远了,再来说说老爱小薛等人反对的本质 。
因为,世界上所有的物质都是由微观粒子组成的,如果微观粒子的运动是遵循概率的,那是不是意味着,宏观物体也是应该遵循概率?如果是这样,那是不是意味着我们在看月亮的时候月亮存在,我们没看月亮的时候,月亮就不存在了?这里是对玻尔等人对“波函数坍缩”解释的反对 。
但玻尔说,我们明明说地是微观粒子,你用月亮来比喻,不合适啊 。
于是,薛定谔想了一个办法,把微观物体的特征引入到宏观世界当中 。简单来说,就是通过属于微观的元素衰变现象,来决定一只宏观世界的猫的生死 。衰变触发毒气机关,猫即死;没衰变不触发毒气机关,猫即活 。
因为通过量子力学“概率论”的解释,元素衰变在未经测试的情况下,被认为同时存在衰变与没衰变两种状态,这种状态称为叠加态 。
【薛定谔的猫这梗怎么用:如何给小学生解释「薛定谔的猫」?】这种“叠加态”和我们普通认知的所谓已经衰变了和还没有衰变是两个概念 。叠加态的核心思想是同时存在 。如果是这样的话,那这只猫就应该同时处于已经死了和还没有死的叠加态中 。
但其实上,这个实验本质是荒谬的,没有科学依据 。因为实际上所谓的测量,并不是我们通常认为的,看见了才能叫做测量 。其实只要宏观物体对微观粒子的运动做出了判定,就算作已经测量 。而薛定谔实验盒子里的毒气机关的存在,本身实际上就能测定这个元素是否衰变,所以说不会出现后面的“生死叠加的猫” 。
但对普通人来说,谁会思考这么多 。大家记住的是“薛定谔的猫”带来的反直觉认知,如此鲜活的生死共存故事,极大地把量子力学宣传了一把,这个实验带来的科普价值远远超过了它的科学价值 。量子力学能被世界所关注,对玻尔一派来说也是好事啊,你发泄了情绪,也壮大了量子力学的声望,双赢啊 。
而且,除了玻尔领导的“哥本哈根学派”的解释,没人能对量子的运动状态给出更好的解释 。
再来说说双缝干涉试验 。
最早的杨氏双缝干涉实验其实只是证明了,光的波动性 。
而在双缝干涉实验出来之后,无数的科学家在它原有的实验基础上做了众多的改良,可谓越改越变态,当然结果也越来越让人困惑,甚至让有些人认为恐怖 。
其中的单电子双缝干涉实验,第一次证明了粒子的波粒二象性 。也否定了之前大多数人的错误认知,认为一大群粒子的时候表现为波动性,单个粒子的时候表现为粒子性 。
后面的延迟选择实验以及檫除实验 。本质上其实是证明了,单个的粒子运动状态随着测量变化而变化,选择性地表现出粒子性或波动性 。也就是说,我们同时只能测量粒子的一种状态,要么测量到它的粒子性,要么测量到它的波动性,无法同时测量到它的两种特性 。
而且同时证明,在测量粒子的过程中,只要还未形成最终的判定,粒子的所有行径过程视为不存在,而只能以概率波的形式来描述 。这里的概率波并不是我们常规意义上理解的波动性 。这里的概率波是纯粹的数学概念,也就是说在粒子的运动过程中,只要还没有发生测量,可以宣称它不存在 。
具体理论描述,可以看我之前的问题,这是“哥本哈根学派”给出的正统解释 。
大多数人对双峰干涉,觉得恐怖是因为把观测和人的意识结合了起来,以为是人的意识决定了测量粒子的运动状态,其实并非如此 。
当然以上的所有结论,很多人都会觉得难以理解,因为完全和我们日常的经典认知不同 。
就目前的科学来说,除了高维理论,没有任何理论能解释为什么是这种结果 。所以说,关于量子力学的“哥本哈根正统解释”,只是基于实验结果总结的语言描述而已 。对于量子的运动状态,我们现在只能应用,还无法得出公认的科学原理 。
这也正是,量子力学领军人物玻尔说的,如果没有人对量子感到疑惑,他就根本不了解量子力学 。
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