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深層解讀“薛定諤的貓”,為什麼會存在一隻“既死又活”的貓?

2024-11-18 10:46:22

數載以來,這一實驗已是耳熟能詳,然而量子論的篇章卻翻開了新的一頁。薛定諤當年所設此實驗,用以質疑量子理論,甚得讚許。如今以現代量子理論之眼光回望,或許其發力之處尚有探討。

下文將細述實驗及其關鍵所在,然我們不應停滯不前,而是需領略現代量子論之新貌。隨後,我們將對比舊論,揭示其中矛盾,令您在量子領域的見解,超越薛定諤與愛因斯坦之境界。

衝突之緣由

若將量子論之所知與未知劃分兩端,所知者如“量子糾纏”、“量子隧穿”與“不確定性原理”等實驗成果,未知者則為現象背後之本質。愛因斯坦、波爾、薛定諤等科學巨匠,皆致力於揭示深淵之奧秘。

假設量子現象為深淵所發之光,科學家所求索者即為黑暗深處之所藏。眾人之解釋雖各有千秋,但彼此爭論不休,乃因各執己見。

衝突之本質

所有紛爭皆起於微觀粒子之測量。原子之結構非如我們所想,電子按固定軌道旋轉。實際情形恰似雲霧,電子之運動軌跡隱於實驗結果之中。為求得物體運動軌跡,需知其速度與位置,以此推算下一刻之位置。

但在測量過程中,科學家發現電子的位置和速度難以確定,其速度與位置呈現出“規律的隨機”狀態,意味著它們遵循機率分佈,然而具體是哪個機率值卻是未知數,故我們無法預知電子的確切軌跡。

以通俗之言述之,無數次測量後,我們將結果標記,發現電子形成一雲狀結構,它在雲中任一位置出現皆有可能,唯測量之時,電子才會顯現為一點,彷彿在說:“我本為粒子,非雲也,你我之不解,在於你未明我之本”。

波爾之詮釋是,電子為一粒子,同時存在於雲之各處,待我們測量之時,它會隨意選取一處顯現。

如此詮釋令人費解,若其為一粒子,何以同時存在於多處?莫非有分身之術?

愛因斯坦則稱,電子為一粒子,不應同時存在於雲之各處。在測量之前,它已在某處,故我們得到的結果非全然隨機,但具體何處,尚不明瞭。

美國量子物理學家休·艾弗雷特有言,電子同時存在於雲之各處,測量時,在此宇宙它現於某地,而在另一平行宇宙,或許愛因斯坦或波爾之測量結果不同,無數平行宇宙之測量結果組合,形成電子雲。

諸多理論,此處不一而足。總之,各家之言,各有其理。

正因這些爭論,薛定諤才設計出那想象實驗。他設一貓於箱內,箱中放置微量放射性物質。放射性物質一旦衰變,便觸發毒藥瓶之計數器,導致毒藥瓶破裂,貓命懸一線。

放射性物質的衰變受量子力學規律之約束,換言之,量子論之定律掌控貓之生死。薛定諤將量子論中抽象概念,轉化為現實中的具體問題。如此,微觀世界之電子是否隨機出現與宏觀世界之貓生死聯絡起來。

生命無非生死兩途,而在此實驗中,貓呈現第三種狀態——既生又死,因其代表“電子”之量子貓。波爾言,電子既在此又在彼,故薛定諤曰:“若波爾所言不虛,則貓既生又死。若開啟箱子以觀究竟,則結果仍為隨機,生死乃定。”

薛定諤,量子力學之奠基者,構建此實驗,旨在嘲諷以波爾為首“哥本哈根”學派之量子狀態解釋,認為生死“疊加態”之說荒謬,與現實世界不符。

細審之,爭論之核心不在於電子是否存在疊加態,而在於開啟箱子前後之情景。開啟箱子即為測量,而測量由人所驅動。

為何薛定諤選用貓?蓋因貓不具自我意識,故實驗結果不受貓之自我意識改變。波爾認為,人之測量驅動了量子狀態之隨機呈現,此現象稱波函式坍縮,也就是說,量子之“不確定性”與人的測量有關,故量子力學中有“測不準原理”。

愛因斯坦亦認為“觀察者”之影響有誤,並支援薛定諤之貓假設。其言如下:“波爾之解釋被您放射性原子+蓋革計數器+毒藥+貓之系統最優雅地反駁了。在一盒中,系統同時含活貓與死貓。僅在物理學家調查時,貓之狀態才會定型?”

愛因斯坦之意:

“薛定諤,你之比喻甚妙。

波爾,杯子果真在眼前乎?據你所言,杯子與世間萬物皆存又皆無,唯有觀之時,方知其存亡。或曰,唯有觀之時,杯子方決斷其存亡。

波爾,是否在你觀之瞬間,上帝擲出骰子,2點小,“顯現為小,消失為大”,如是,杯子方顯。

新薛定諤之貓與破解之法——波粒二象性

“不確定性”之出現,使得這隻貓現身,量子力學亦與自由意識產生牽連,似乎哲學之門已為之敞開,湧現諸多俗文學。實際上,測量與否,與結果無關。理解此點,你已超越薛定諤與愛因斯坦於不確定性上之量子理解。

何為機率分佈?譬如問校內學生分數,我們不能草率取一張試卷看其80分,便以為全校皆80分。我們應隨機抽取多份試卷,統計分數段,如百分之百佔百分之十,六十分佔百分之七十......

量子在我們未測量時,猶如全校試卷之分數皆被遮蔽,你不知隨意抽出一張分數幾何,然你抽取多張,便知其機率分佈。下次抽取時,知有百分之十機率抽得百分之百,百分之七十機率得六十分。但你抽取與否,不影響學生之考試成績。

學校分數與量子唯一之異,是學校為眾多學生之成果,而量子僅為一人之考試成績,或者說一個粒子之結果,此即為波粒二象性。若你未明,則聽我一言:

我們曾說電子如雲(波動性),猶如全校試卷分數,測量時則為一電子,正如我們抽取一張試卷之分數。然你能斷言此粒子僅得八十分乎?不能。正如波爾所言,所有具有確定性機率分佈之波函式坍縮為一電子。換言之,所有試卷在你抽取之時,是你隨機抽得一張。為何一電子形成雲狀,在機率分佈任意處?為何一校中僅一學生,卻能呈現全校不同分數?因其為波,具波動性。

若你尚不能明瞭,請記此比喻:粒子如孫悟空,拔毛化分身,遍在各處,成悟空軍隊波動前行。唐僧喚“悟空”,波形軍隊即消失,唯留一孫悟空回應,告知所在。根據波形不同,各處孫悟空數量不同,數量分佈呈機率。

借波粒二象性再審視貓之實驗。

問未開箱前,貓何狀態?答曰:即生即死,同時存在,然為機率分佈:生50%,死50%。

問開啟箱後,何為結果?答曰:測量百次,通常生與死各半。

問結果何由?答曰:波粒二象性所定,波函式之坍縮隨機,無關測量,人之意志不能轉移。

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