物理學「神獸」薛丁格的貓,到底代表了什麼?答案比你想像的複雜

2020-12-21 量子探索

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

今天我們來討論一個讓很多人感到疑惑的問題，「薛丁格的貓」到底代表了什麼？為什麼這個思想實驗經常被人提及，它對我們的科學發展有什麼幫助嗎？

其實重要的並不是貓咪，而是貓咪所處的狀態「生死之間」，如果不打開盒子，我們就無法判斷貓咪的生死，這個時候這只可憐的貓就是生和死兩種狀態共存。這樣的現象在量子力學中十分常見，如果沒有觀察者存在，那麼我們就無法確定一個量子的狀態。

薛丁格這個名字相信很多人都聽說過，但是對他的了解可能並不多，大部分人都是因為「薛丁格的貓」這個有意思的實驗才知道了薛丁格的名字。他對量子力學的發展做出了很大的貢獻，是量子力學的奠基人之一，只不過因為量子力學的相關知識不符合大眾的思想，並且現在的量子力學也不完善，在日常生活中基本上用不到量子力學的相關知識，因此這位科學家的名聲不是那麼響亮。

但是他的研究成果對量子力學的發展有著至關重要的作用，「薛丁格方程」是量子力學的基本方程，利用這個方程我們可以計算出波函數，因此這個方程遠遠比薛丁格的貓要重要，並且薛丁格本人是諾貝爾物理學獎獲得者，這些都可以證明薛丁格是一位偉大的科學家。

薛丁格的貓簡述

對薛丁格的貓不了解的讀者可以看一下上面的圖片，方便接下來的閱讀。首先，薛丁格的貓這個實驗是一個著名的悖論，我們很難真正解釋這個貓的狀態就像是我們無法解釋量子為什麼會如此神奇一樣。

薛丁格為什麼要提出這個一個實驗，並且還能如此廣為流傳呢？我們知道，上個世紀是天才物理學家的時代，愛因斯坦，薛丁格等等科學家快速的推動了人類文明的發展，甚至導致了核能的出現，人類文明徹底被改變。

在這些科學家的推動下，人類對宇宙的了解逐漸清晰，相對論的出現幫助我們塑造出了一個界都穩固，在能量的推動下不斷運動的物質宇宙。在引力的幫助下，較小的行星被恆星吸引組成恆星系統，眾多的恆星系統會被一個引力源吸引，組成星系，星系組合在一起就成為了超星系團。可是在廣闊的宇宙面前，超星系團只是宇宙結構的一部分，在460億光年之外，宇宙還存在遠遠超過我們想像的空間。

面對這樣廣闊無比的宇宙，相信每一位科學家都是十分激動地，因為無限的宇宙代表了無限的探索空間，人類文明擁有無限的未來。可是量子力學出現後，科學家發現原來宇宙並沒有我們想像的那麼簡單。

量子糾纏打破了光速的限制，直到今天我們都無法理解為什麼量子糾纏這樣的超距離現象可以出現，又是以怎麼樣的方式實現的，只能初步判斷，或許和更高維度有關，或者和宇宙中無法觀察的暗物質以及暗能量有關係。

並且量子力學中的波粒二象性和薛丁格的貓有著類似的關係，如果沒有一個實驗人員作為觀察者出現的話，我們就無法判斷這個量子是以波的形態運動，還是以粒子的狀態運動，並且這樣的現象不僅僅在量子上出現，構成我們宇宙的大部分粒子也具備這樣的屬性。

可以說量子力學的出現給宇宙的本質蒙上了陰影，量子糾纏這樣的超距離作用是相對論無法解釋的，因此相對論也存在缺點，同樣不是真正完善的理論。愛因斯坦和薛丁格都是推動量子力學發展的重要人物，他們的心中當然明白這一點，也試圖去解決這個難題。

可惜的是直到今天無數的科學家努力下，除了弦理論之外沒有太大的突破，甚至物理學的發展也停滯了很長一段時間了，可以想像愛因斯坦和薛丁格等科學家，都想完善量子力學，獲得這個榮譽。可是因為科技的限制，到了今天我們也沒有解決這個難題。

對於偉大的科學家來說，放在自己面前的難題無法解決，無疑是一件十分折磨人的事情，這個時候薛丁格在和愛因斯坦的信件交流中，提出了薛丁格的貓這個思想實驗，目的就是為了給大家揭示目前量子力學的不完善。

因此薛丁格的貓本身是在告訴我們，宇宙中存在這樣一個難題，希望大家多多思考，在未來科技達到要求後，解決這個難題。其實薛丁格想要做出一個揭示量子力學的實驗是十分簡單的，為什麼要用貓咪來做實驗對象，並且牽扯到了毒藥和死亡呢？

文章的最後不得不說一下當時的時代背景，戰爭席捲了整個世界，讓無數人失去了家園，也正是在戰爭的促使下，人類的科學以難以想像的速度發展。薛丁格和愛因斯坦都目睹了戰爭的殘酷，一邊是關乎人類未來的研究，一邊是殘酷的現實。

在科學家的眼中，人類無疑是渺小的，畢竟宇宙中存在這麼多的星球，人類的未來是一個未知數，直到愛因斯坦的研究讓核武器出現後，戰爭開始結束。科學的發展徹底改變了我們的社會。我們的未來一直都掌握在自己的手中，人類在數千年後會因為戰爭自我滅絕，還是破解了宇宙的奧秘可以探索無限的星空？一個小小的實驗，背後隱藏了科學家對人類未來的思考。

你認為答案是什麼？

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  • 好物365--薛丁格的貓
    鐳的衰變存在機率，如果鐳發生衰變，會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發生衰變，貓就存活。根據量子力學理論，由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加，貓就理應處於死貓和活貓的疊加狀態。這隻既死又活的貓就是所謂的「薛丁格貓」。】
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  • 物理界四大神獸
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  • 「既死又活」的薛丁格貓以及它的殘忍隱喻
    它也成為許多哲學與物理學困境的代表。與薛丁格同時代的尼爾斯·玻爾和沃納·海森堡曾宣稱，類似於那隻貓所處的混合態是大自然的基本特點。而其他人，比如愛因斯坦，則堅持大自然必須做出選擇：非生即死，而非既生又死。薛丁格的貓如今已成為一種文化符號，然而這個奇談還有一個重要方面往往被忽視：薛丁格當初構思這個實驗時所處的時代背景。
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  • 「巖中花樹」和「薛丁格的貓」,看似異曲同工,根本是兩回事
    按照量子力學的解釋，箱中的貓處於「死—活的疊加態」，只有當你打開盒子的時候，疊加態突然結束，我們就知道了貓的唯一確定態：是死，還是活。著名的"薛丁格的貓"的假設實驗，奠定了波動力學的基礎。這隻虛構的小貓也因此成就了一隻名動天下、號稱物理界四大神獸之一的「薛丁格的貓」。
  • 如何理解薛丁格的貓?貓到底是生是死?
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