小朋友们,我们今天探讨的话题是一只猫。在探讨之前,我想问问你们,有谁知道历史上最著名的一只猫是哪一只?
是英国首相府第唐宁街10号的“首席捕鼠官”?还是美国人吉姆·戴维斯家的大脸“加菲猫”?或者是日本的禅宗大师“猫叔”?
不不,都不是。要说历史上最著名的那只猫,当属“薛定谔的猫”。
小朋友们,我们今天探讨的话题就是这只“薛定谔的猫”。首先,我们需要知道的是,这个叫薛定谔的人,他不是个养猫人,而是一位奥地利的物理学家和理论生物学家,同时,他也是量子力学的创始人。
那么,什么是量子力学呢?量子力学是研究低速微观世界的科学理论,与它相对应的是研究低速宏观世界的经典力学理论。
这位名叫薛定谔的科学家在研究量子力学的时候,提出了一个著名的“猫实验”。实验的内容是:将一只猫放在一只装有毒气瓶的密闭盒子中,毒气瓶的开关由某种放射性物质控制。当这种放射性物质发生衰变时,毒气瓶的开关能够感应到,从而打开毒气瓶,造成猫死亡。
那么,小朋友们,根据你们的判断,这只猫是不是死定了?
倘若实验结果真如你们所想的简单,那这只“薛定谔的猫”也就不会被称之为历史上最著名的猫了。为什么这么说?因为根据科学家们的计算和研究发现,这只猫是生是死不一定。
生死不一定?是不是很惊奇?
原因是这样的:在微观世界当中,所有物质都是我们需要用电子显微镜才能看到的量子状态,而量子状态有两种特性,一种是粒子性,一种是波性。这两种特性我们可以简略的称之为实质态和虚拟态,粒子性就是实质态,而波性就是虚拟态。
当我们未进行观测的时候,量子状态是实质态与虚拟态共存,然后这种状态从微观世界放大到宏观世界上就是控制毒气瓶开关的放射性物质有“发生衰变”和“未发生衰变”两种情况共存,从而造成的结果就是毒气瓶处于“开放”和“未开放”两种情况,那么引发的结果就是盒子中的那只猫生和死都存在。
既生又死?半生半死?
好吧,你觉得无论如何都无法接受这种自相矛盾的说法,但是请别着急,注意下我刚刚提到了一个词:观测。
没错,观测才是这个产生自相矛盾的说法的关键。刚才我说的两种自相矛盾的状态并存的情况,是我们未进行观测是的情况,那么当我们打开盒子去看的时候,我们就相当于进行了观测这个行为。有了观测这个行为之后,两种状态并存的情况就会立即被打破,只保留其中一种情况,而这种情况就是我们观测到的情况。
那么观测和打破状态并存有什么关系呢?为什么只要一观测,就只能产生一种状态,而另一种状态就不存在了?
因为在微观世界中,量子状态的实质态是可观测到的,虚拟态是不可观测到的。换句话说,观测行为能够使原本处于实质和虚拟叠加状态的量子,迅速排除虚拟保留实质,这个过程就叫“波函数塌缩”。用一个比较形象的描述就是“丢骰子”,骰子未丢出之前,就是实质和虚拟叠加状态的量子,等到骰子落地显示点数,就是完成塌缩后的量子。
所以,当我们打开盒子查看猫的状态时,其实只能得到一种结果,这种结果无论是猫生存,还是猫死亡,都是微观世界完成了“波函数塌缩”之后的结果。
那么有人会问了:我就想要看塌缩前的状态,我就想要知道猫半生半死是种什么样的情形?
一位名叫约翰·格列宾英国的科普作家提出了一个比较有意思的解释:“多世界诠释”。
按照他的解释,“薛定谔的猫”无论是生的那只还是死的那只都是真实的,但他们并不处于同一个世界中,而是处于两个不同的世界。猫实验的问题并不在于盒子里放射性物质是否产生衰变,而是在于它既衰变又不衰变。当我们向盒子里看时,整个世界自动分为它自己的两个子版本,这两个版本在其余各个方面都是完全相同的,唯一的区别在于一个版本是盒子中放射性物质衰变了,造成猫死亡;另一个版本是盒子中放射性物质未衰变,猫存活。这两个世界将完全独立的演变下去,就像两个完全平行的宇宙那样。
所以说,“薛定谔的猫”是不存在既生又死、半生半死的状态的,它从一开始就已经分裂成了两个宇宙,一个有活猫,一个有死猫罢了。对于那个活猫的宇宙,猫是一直活着的,不存在死活叠加的问题。对于死猫的宇宙,猫在分裂的那一刻就实实在在地死了,不要等人们打开箱子才"坍缩",从而盖棺定论。
小朋友们,你们现在明白“薛定谔的猫”是怎么一回事了吗?