這只貓很可憐。它被密封在壹個密室裏,裏面有食物和毒藥。毒藥瓶上有壹把錘子。錘子由電子開關控制,電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變,會釋放出α粒子,觸發電子開關,錘子會掉下來,毒瓶會被砸碎,裏面的氰化物氣體會釋放出來,貓就會死。這個殘忍的裝置是薛定諤設計的,所以這只貓被稱為薛定諤的貓。
“薛定諤的貓”命題
薛定諤的倒黴貓
薛定諤在1935《薛定諤的倒黴貓》發表了壹篇論文,題目是《量子力學的現狀》。
第五節,薛定諤描述了常被視為噩夢的貓實驗:哥本哈根學派說,在測量之前,壹個粒子的狀態是模糊的,處於各種可能性的混合疊加狀態。例如,放射性原子何時衰變完全是隨機的。只要沒有觀測,就會處於衰變/非衰變的疊加狀態,只有實際測量時才會隨機選擇壹種狀態出現。所以讓我們把這個原子放在壹個不透明的盒子裏,讓它保持這個疊加態。現在薛定諤想象出壹種結構巧妙的精密裝置。每壹次原子衰變釋放出壹個中子,都會引發壹系列的連鎖反應,最後的結果就是打碎盒子裏的壹個毒氣瓶,同時盒子裏還有壹只可憐的貓。事情是顯而易見的:如果原子衰變,毒氣瓶將被打破,貓將被毒死。如果原子不衰變,那麽貓就活得很好。
自然推理
薛定諤的貓
當它們都被鎖在盒子裏時,原子處於衰變/不衰變的疊加態,因為我們沒有觀測到它。因為原子薛定諤的貓形
狀態不確定,所以貓的狀態也不確定。只有當我們打開盒子看壹看,事情才最終決定:要麽貓躺在盒子裏死了,要麽它活蹦亂跳,喵喵叫。問題是,在我們打開盒子之前,貓是什麽狀態?似乎唯壹的可能就是它和我們的原子壹樣處於疊加態,貓被夾在了壹個死/活的混合物裏。
壹只貓同時死了又活著?處於不死不活的疊加狀態?這和常識沖突太多,同時從生物學角度來說也是奇談怪論。如果壹只活貓從箱子裏出來,如果它會說話,它會描述死/活疊加的奇怪感覺嗎?恐怕不太可能。換句話說,薛定諤提出貓的概念是為了解決愛因斯坦相對論,也就是平行宇宙理論帶來的祖母悖論。
雖然量子理論誕生至今已有壹個世紀,但它的輝煌、繁榮、興盛也已過去半個世紀。然而,量子理論曾經造成了薛定諤貓量子計算機原理的困惑
至今仍困擾著人們。正如玻爾的名言,“任何壹個第壹次聽到量子論時不困惑的人,壹定是不理解的。”薛定諤的貓是眾多量子謎題的代表。
原子核的衰變是壹個隨機事件,物理學家能準確知道的只有半衰期——半衰變所需的時間。如果壹種放射性元素的半衰期是壹天,那麽晚壹天,這種元素就會少壹半,另壹天,剩下的壹半就會少壹半。然而,物理學家無法知道它何時衰變,早上還是下午。當然,物理學家知道它在早上或下午衰變的概率——也就是貓在早上或下午死亡的概率。
如果不打開密室的蓋子,根據我們在日常生活中的經驗,可以斷定這只貓不是死了就是活了。這是她的兩個本征態。但是,如果用薛定諤方程來描述薛定諤貓,只能說她處於壹種生與死的疊加狀態。只有揭開蓋子,我們才能確切地知道貓是死是活。此時,貓的波函數立即從疊加態收縮到某個本征態。
量子論認為,不打開蓋子觀察,永遠不知道貓是死是活,她永遠處於半死不活的疊加狀態。這嚴重違背了我們的日常經驗。我們要麽死,要麽活。怎麽才能做到不生不死?
薛定諤諷刺地說:根據量子力學的解釋,盒子裏的貓處於“死-活疊加態”——既死又活!等到妳打開盒子,看壹眼貓,再決定它的生死。(請註意!這不是發現,而是決定。只看壹眼就致命!正如哈姆雷特王子所說,“是死是活真的是壹個問題。”只有當妳打開盒子,疊加態突然結束(用數學術語來說就是“坍縮”),哈姆雷特王子的猶豫才最終結束。我們知道貓的確切狀態:死或活。哥本哈根的概率解釋的好處是只有壹個結果,和我們觀察到的結果壹致。