薛丁格的貓,不僅僅是一個科學問題?甚至引發了哲學思考

2021-01-09 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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    剛才網上回答了一個問題:薛丁格的貓是物理問題還是哲學問題?薛丁格是這樣設想的:一隻貓被封在一個密室裡,密室裡有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個錘子,錘子由一個電子開關控制,電子開關由放射性原子控制。當然,物理學家知道它在上午或下午衰變的機率——也就是貓在上午或者下午死亡的機率。如果我們不揭開密室的蓋子,根據我們在日常生活中的經驗,可以認定,貓或者死,或者活。這是它的兩種本徵態。如果我們用薛丁格方程來描述薛丁格貓,則只能說,它處於一種活與不活的疊加態。我們只有在揭開蓋子的一瞬間,才能確切地知道貓是死是活。此時,貓構成的波函數由疊加態立即收縮到某一個本徵態。
  • 薛丁格的貓,指的是什麼,大多數的理解都是錯誤的
    今天,是薛丁格133歲誕辰。薛丁格的貓是的指的什麼再次進入視野。很多人對薛丁格的貓的理解可以概括成一句話:「貓在箱子裡在「死的」或者「活著」兩種狀態之一的概率各是50%,只有打開箱子才會知道是死」或者「活」。但是你如果讀了《生命是什麼》之後,你就會發現這種理解是多麼的膚淺和不準確。
  • 許多科普作者都曲解了「薛丁格的貓」實驗
    "薛丁格的貓"不是一個真正的實驗,因此沒有科學證明任何東西。薛丁格的貓甚至不是任何科學理論的一部分。薛丁格的貓只是一種教學工具,薛丁格用該教學工具來說明有些人是如何曲解量子理論的。薛丁格用貓構建了他的假想實驗,以證明對量子理論的簡單曲解會導致與現實世界不符的荒謬結果。
  • 量子數學研究的是自由粒子的確定性,就像薛丁格的貓問題
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  • 我就是薛丁格的貓
    只是讀過薛丁格的小傳,對其的印象也只能是根據一些我所了解到的零星的事實加以揣測。薛丁格是一位聰明的嚴謹的非常有個性的傑出科學家,他的薛丁格方程在近代物理學中的地位足以和牛頓的動力學方程在經典物理學中的地位相媲美。薛丁格還將他睿智的目光投向生命科學,將物理學的思想方法在生命科學中發揚光大。
  • 我的世界:破解MC不科學,還原經典實驗薛丁格的貓,它會活著麼?
    首先,這是一個極度燒腦的理論。正常來說,有一定的理論物理學基礎才能完全明白「薛丁格的貓」真正想表達的意思。但今天我叫Minecraft把這個理論應用到《我的世界》,以此來嘗試破解MC的不科學!我的世界:破解MC不科學,還原經典實驗薛丁格的貓,它會活著麼?我的世界:MC科學實驗篇之「薛丁格的貓」,破解MC不科學現象!薛丁格的貓理論首先,「薛丁格的貓」是一個物理界的一個量子力學思維實驗,誕生於1935年的奧地利。
  • 什麼是薛丁格的貓?
    薛丁格的貓是我們大多數人可能都聽說過的東西,但是我們當中有多少人真正知道它是什麼意思呢?今天我們就來討論一下,薛丁格的貓是在說是什麼?不過,他最著名的還是是「薛丁格的貓」,這是他為了反對哥本哈根學派關于波函數的觀點而用一隻貓做的思想實驗,但後來,被廣泛應用於形象描述宏觀和微觀物理體系的不同之處。
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    談到不確定性和量子疊加態,薛丁格同愛因斯坦一樣持反對態度。科學的目的,就是要發現事物的運行規律,準確地把握事物的發展趨勢。量子力學卻搞出了一個「不確定性原理」,意味著科學家像牌桌上的賭徒,只能依靠擲骰子猜數字混日子了。受到原子核衰變的啟發,薛丁格設計了一套假想實驗來嘲笑哥本哈根解釋。
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  • 「薛丁格的貓」至今無解,有著什麼樣的秘密?
    為了反駁哥本哈根學派,同樣支持愛因斯坦 的 薛丁格展開了一個大膽的思想實驗,這就是聞名於世的薛丁格的貓。 假設將一個原子設備放入一個不透明的箱子中,同時在箱子裡還有一隻可憐的貓。如果原子衰變,那麼 毒氣瓶 將被打破 , 貓 就會被毒死。如果原子沒有衰變,那麼貓就會好好的活著。當盒子關閉時,我們看不到內部,所以那個原子處在衰變和不衰變的疊加狀態 。
  • 線上展覽 | 「薛丁格的貓」到底是什麼?
    實驗是這樣的:一隻貓被關在一個密閉無窗的盒子裡,盒子裡有一些放射性物質。一旦放射性物質衰變,有一個裝置就會使錘子砸碎毒藥瓶,將貓毒死。反之,衰變未發生,貓便能活下來。薛丁格設計了這個可怕的實驗來挖苦量子理論荒唐的一面,按照量子論支持者的解釋,在打開盒子看貓之前,這隻貓非生非死,而是處在典型的量子態,即活與不活疊加的離奇狀態。
  • 「雙語彙」Schrodinger's cat/薛丁格的貓
    說起科學史上最有名的實驗動物,能跟巴甫洛夫的狗相比的,大概非薛丁格的貓(Schrodinger's cat)莫屬。但巴甫洛夫的狗是確有其狗,薛丁格的貓只活/死在想像之中。「薛丁格的貓」源於奧地利物理學家埃爾溫·薛丁格(Erwin Schrodinger)1935年提出的一個思想實驗,目的是揭示哥本哈根派(the Copenhagen Interpretation)對量子力學的闡述如果不是用於微觀世界的粒子而用於規模更大的事物——比如貓——會有多荒謬。
  • 歷史上最著名的貓《薛丁格的貓》,這裡講的很清楚
    由對量子力學的創造性研究和哲學解釋而著名。用通俗的語言講,量子力學只關心概率,而概率又是通過觀測得到的,所以量子力學中就出現了物質在沒有觀測之前都是不確定性的。(這點很重要)這下把奧利地著名物理學家薛丁格給惹惱了,因為按照傳統物理學,只要知道物質的運動參數,所有的事情都是確定,為什麼到微觀就變成不確定性呢?
  • 薛丁格的貓-量子力學中最受歡迎、被誤解的寵物
    本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。參考文章:對薛丁格的貓的簡要說明。藝術家對薛定貓的描繪。根據《量子》雜誌上的一篇文章,奧地利物理學家埃爾文·施洛德(Erwin Schrodinger)幫助發現了量子力學這門學科,他於1935年作為對最初由愛因斯坦提出問題的評論,首次構思了他的貓難題。在發展對亞原子領域的新認識時,大多數愛因斯坦和薛丁格的同事已經意識到,量子實體表現出極其奇怪的行為。
  • 名聲大噪的薛丁格的貓,根本就不存在?
    在物理學上,有這麼一隻赫赫有名的貓,它是薛鄂定的貓,在實驗中,如果不打開盒子,這只可憐的貓就處於生死疊加的狀態。那麼在現實中,筆者覺得,面對充滿不確定性的未來,只有大膽去嘗試才能獲得想要的結果吧。熱播劇《生活大爆炸》中謝耳朵曾經用這樣一個量子力學理論——「薛丁格的貓」形容Leonard和Penny的戀情。1. 什麼是薛丁格的貓?
  • 深度解讀薛丁格的貓,這隻根本不存在貓為何會引發如此大的轟動?
    這隻貓就是被譽為物理學四大神獸之一的、由物理學家薛丁格飼養的薛丁格的貓薛丁格貓的由來1935年,奧地利物理學家薛丁格在一篇關於量子力學的論文中提出了一個思想實驗:把一個貓放進一個完全密閉且不透明的箱子裡,箱子裡有一個由原子衰變觸發的毒氣瓶,當原子發生衰變時,毒氣瓶就會被觸發而毒死這隻貓,如果原子沒有發生衰變,那麼這隻貓就會安然無恙的待在這個箱子裡,我們將這個實驗稱為
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