网络上流传着一个梗,说到不确定性的话题时就说:薛定谔……例如:薛定谔奖金,薛定谔女朋友等。
薛定谔是女朋友最多的物理学家,但成为网红是因为他在1935年提出的一个理想实验:“我把一只猫放进一个密闭的盒子里,并与一瓶毒药和一个放射性原子一同放置。根据薛定谔方程,在没有观测之前,这只猫既应该是 alive 又是 dead,直到打开盒子的那一刻...这难道不比任何科幻小说更加离奇么?”
这一物理学的经典语录让全世界的物理学者为之震撼!如果你不感到震撼,那是你的事~要不你的神经比较大条,要不就是你不知道薛先生在说啥。^_^
近代的双缝干涉是最经典的实验:当光子未被观测时,它们会像波一样通过两个缝隙并在屏幕上形成干涉条纹;但一旦我们试图观察光子到底是通过哪个缝隙,这种波动性就会瞬间消失,光子表现为经典的粒子特性。这就是量子叠加态的典型表现。
当时对于粒子的量子属性的解释影响较大的学派主要有两个:爱因斯坦、薛定谔为代表的经典学派(反哥本哈根派)和玻尔、海森堡、玻恩等为核心的哥本哈根学派。
哥本哈根学派是量子力学的名门正宗。根据哥本哈根诠释,微观世界中的粒子并不像我们日常生活中看到的物体那样有确定的状态和位置,而是以概率波的形式存在,这种现象被称为“量子叠加”。简单来说,在没有被观测或测量时,一个量子系统可以同时处于多个状态的叠加中。更简单地说,哥派的小帅哥们认为这种(看起来有许多可能性的不确定的)叠加态是粒子与生俱来的基本属性。
以爱因斯坦为核心的反对派,代表人物包括德布罗意、薛定谔,是哥本哈根学派最主要的反对力量。该学派的核心立场是捍卫经典物理的决定论与客观实在性:
• 反对“概率解释”:爱因斯坦提出“上帝不会掷骰子”,认为量子力学应基于因果律和连续性,不应仅用概率描述微观世界;
• 质疑“客观实在性”:提出“月亮在不被看时是否不存在”的质疑,认为微观粒子应具有独立于观测的确定状态(隐变量存在);
• 反对“波包塌缩”:薛定谔通过“薛定谔的猫”思想实验,指出波包塌缩会导致宏观物体的量子叠加态,违背日常经验。
简单来说,爱因斯坦他们认为粒子的不确定性是因为存在我们不知道的因素而已。更简单地说,叠加态不可能是粒子的基本属性,太反直觉了。
为了彻底打败哥本哈根的小朋友们,薛定谔提出了这个猫论。
请注意⚠️,双方对于开盒后猫的死活是没有兴趣也没有争议的,问题的焦点出在这里:打开盒子之前,猫处于什么状态?
经典学派:你见过既死又活的猫么,宏观世界中,猫要不是死的、要不就是活的,所以你的理论是荒谬的。在打开盒子之前,里面的猫要不是死就是活(的确定态)。
哥本哈根学派:猫处于一种既死又活的叠加态~“诡异状态”。在打开盒子观察之前,放射性原子处于衰变和未衰变的“叠加态”,即同时处于已衰变和未衰变的状态;探测器同时处于触发和未触发的状态;毒药瓶既被打开又被关闭。那么这只倒霉的猫自然也是这样的命运——它既活着又死了,直到我们打开盒子的那一刻。用人话说,就是猫的这种既死也活的状态是存在的。(请注意这种状态不是半死不活哈,也许是如梦如幻的一种超乎寻常的状态,嗯,也叫做不可描述,不可说,不可测量,一说就是错的存在状态)
这种叠加态的存在方式,在近年逐渐被证实是实有的存在,也就是说薛定谔的猫完全可以处于哥本哈根派所认为的状态中。令人深思的是这似乎暗示着意识本身在量子力学中扮演了某种不可或缺的角色,或者说意识似乎也是宇宙的一个基本属性。
在微观世界中,确定性已经不复存在,取而代之的是概率性的叠加态和波函数,可是在宏观世界中到处都是确定性。薛定谔的猫提醒我们,这个微观与宏观,不确定与确定,波动性与粒子性的界限在哪里呢?是不是不论宏观世界还是微观世界,都遵循着同样的规则:在被观察之前它的世界是充满无限可能的量子王国;只有当观测发生,这种神奇的叠加态才会消失,呈现出我们熟悉的、确定无疑的经典现实。如是,物理学家们必须端端正正地坐好回答“不看月亮的时候,月亮在不在?”的问题。
近年来物理学家们在实验室中取得了惊人的进展,成功地将量子叠加态拓展到了越来越大的宏观系统。例如,科学家们利用超导电路构建起了特殊的器件——约瑟夫森结。在这种奇妙的结构中,数以亿计的电子展现出了惊人的集体行为,它们如同训练有素的士兵,整齐划一地行动,表现出宏观上的量子隧穿效应和能量量子化现象。
2025年的诺贝尔物理学奖恰好颁发给了在宏观量子效应研究中做出杰出贡献的三位科学家——约翰·克拉克、米歇尔·德沃雷特和约翰·马丁尼斯。他们开创性的实验首次在宏观电路中清晰地观测到了量子隧穿效应与能量量子化现象,这一成果被誉为推开通往量子未来大门的关键一步。三位科学家的研究不仅证实了量子效应可以超越微观范畴,延伸至宏观世界,更为量子技术的实用化奠定了坚实的基础。他们的工作是对薛定谔思想实验的最好回应,证明了量子力学的奇异规律即使在宏观尺度下也能发挥作用,并且有可能被我们所利用,为未来的科技发展带来无限可能。
而在2023年的诺贝尔物理学奖颁奖典礼上,科学家们因为对量子纠缠现象的深入研究而获得殊荣。这再次证明了量子力学的核心观点——在量子层面上,粒子之间可以超越空间距离产生关联,而且这种关联无法被经典物理定律所解释或限制,进一步巩固了“万物皆为波函数”的根本理念:从最基本的角度来看,我们眼中的现实只是波函数在一个瞬间的坍缩结果。描述这个世界的波函数太复杂,小粉红的脑子与小公鸡的差不多就不说了,物理学家对世界的认知本质上也只是一种近似或投影。
薛定谔的猫是连接微观与宏观、理论与现实的桥梁。人类对量子世界的理解不断深化,突破直觉的边界,改造了我们的世界观。