薛丁格的貓,不僅僅是一個科學問題?甚至引發了哲學思考

2020-12-15 科學說實

物理中存在四大聖獸，不管是芝諾悖論產生的龜，還是永動機推動而來的麥克斯韋妖，抑或是背靠經典理論而出現的拉普拉斯妖，都隨著科學的發展銷聲匿跡。雖然前三隻神獸背後的猜想帶來的科學精神值得後人尊敬，其中的故事也頗具傳奇色彩，而且有趣。

但不可否認，新的理論必定會代替舊的思想。迄今為止，四隻神獸剩下的當屬薛丁格的貓，這隻貓帶來的驚奇，甚至說驚豔，一直推動物理革命的發展。這隻貓產生的思考不止於物理科學，還滲透到其他科學中。那麼，這隻貓是如何驚豔的呢？這還得從薛丁格本人說起！

薛丁格，量子力學的巨匠

Erwin Schrdinger，即埃爾溫·薛丁格，1887年生於奧地利的科學家。如今世界各國爭先秘密研究的量子科技，背後的量子理論就是在薛丁格等人的研究下建立的。他和另一位量子理論奠基人狄拉克，因為在原子理論上的研究有突出表現，共同獲得1933年的諾貝爾物理學獎。

說到薛丁格的貓，其實薛丁格本人當初提出來是為了試圖否定宏觀下量子力學的缺陷，結果卻恰恰證明了量子力學的完備性。他擁有很多成就，其中薛丁格方程可以說是他在量子理論的最高成就代表。說到這個方程，有人評價該方程，說它就是量子力學中的牛頓第二定律，由此可見這個方程在量子領域的地位。

神奇的貓的出現

量子理論的核心思想是不確定性，就是微觀粒子的運動是不確定的，是隨機的。這來自於另一位量子奠基人海森堡，他認為，任何粒子，我們不可能同時知道這個粒子的位置和速度。換句話說，某一時刻，你要去觀察一個粒子的情況，你得到的信息只能是位置和速度中的一個，當然這是在微觀中的理論，這其中牽涉的哲學問題也十分深奧。

用海森堡的話說：「在因果律中，認為知道現在，必定能推斷出未來，而這得出的不是結論，而是前提，我們看見的不是全部細節，這是很明顯的原則。」這樣的學說，有違當時的人們的認知，包括很多科學家都無法接受。即使是研究量子力學的科學家，也有無數的疑問，其中最具代表性的當屬薛丁格的貓。這隻貓是一個猜想，這個猜想帶來的疑問引發了一系列哲學問題。

薛丁格設想，在一個密室中有一隻貓，還有裝著毒藥的瓶子和食物。瓶子上有一個開關控制的錘子，錘子落下來一定會砸碎瓶子，從而釋放毒藥毒死貓。而開關是由衰變物質控制的，需要明確的是，沒有人知道什麼時候衰變，也就不知道錘子掉下來的具體時間。最終科學家想要知道這隻貓具體的時間是死還是活著？經典物理和量子理論都發表了自己的觀點，且看不同的理論帶來何種思考？

唯一活著的神獸帶來的思維衝擊

從經典物理的角度來分析，這隻貓一定只有兩種情況，要麼貓死了，要麼貓活著，任何時候都是如此，不會出現第三種情況。事實上，這也是很多人腦海裡的思想。該思想所體現的，如果上升到哲學的境界，那是一種機械性的因果決定論觀點。

從量子理論的角度來看，觀點卻是出乎意料的。量子力學的基本方程是薛丁格方程，根據薛丁格方程的推算，得出的結論是貓既是死的又是活的，準確地講，貓是處於死與活的疊加性的狀態下。如果非要清楚地知道貓對應時刻的生死狀態，唯一的辦法就是打開密室，但當你打開門的那一瞬間，疊加態立即坍縮，你看到的是唯一的狀態，要麼死，要麼活。兩者似乎都很有道理，你會選擇接受哪一種？

薛丁格貓產生之前，人們充分地認識到微觀世界是不同於宏觀的。微觀遵循量子力學，背靠不確定性原理。而薛丁格的貓帶來的，卻是把不確定性延伸到了宏觀，而且是微觀與宏觀的不確定性的銜接。因為我們還可以從衰變物質的分子的角度分析，如果該分子衰變，則會引起開關觸發，也就釋放了毒藥，反之不會。當然分子的運動是一個微觀問題，那其運動就得用量子理論解釋，這就是這隻貓的驚豔之處。它是微觀與宏觀的橋梁，而且把量子理論帶入到了宏觀。

其實最具爭議的，是另外一種貓的生死狀態的解釋。有人認為相比較於我們的宏觀世界，薛丁格的實驗理論是不存在的，因為衰變是宏觀層面的，而具體到分子原子，就深入到了微觀世界。對於具體的放射性物質來說，它的衰變時間是固定的。所以從整體上來講，當具體的放射性物質被選中，那其實貓能活的時間就已經完全確定。因此不會存在疊加態的說法，簡單來講，貓的生死狀態你雖然不知道，但並不代表它沒有發生。

寫給讀者最後的話

從科學發展的歷程來看，一直都是新的思想和理論代替舊的。也許真實的情況我們永遠無法知曉，從發展的角度來看，量子理論也不一定是真理，雖然微觀和宏觀差異明顯，但作為宏觀存在的我們，肯定難以精確的認識微觀世界，即使是如今發展起來的量子理論，很多方程和思想都是建立在一些假設之上，卻沒有嚴格的數學證明。不過，最神奇的是這些量子理論一直都很適用於微觀世界。至於這些假設的具體的真實性，雖然經過科學界的推敲，但介於我們所處的環境，也許也只能適用於我們所假設的基礎之上。

歷史總是驚人的相似，相對論覆蓋了曾經的經典力學，那是不是量子力學也可能覆蓋相對論？這就很難說了，需要時間來證明。可能世界本無真理，只是我們設定了規則，在對應的規則之中，也就有了真理，科學也就由此而誕生。

文：鬥苗 2020.4.14

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