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解讀“薛定諤的貓”,這隻貓為何會“既死又活”?

2025-01-31 11:02:53

有一種理論或許能提供最具說服力的解讀,那就是量子退相干理論,該理論得到了實驗驗證的確鑿支援。不妨在此稍作闡釋。

未曾料到的是,薛定諤構思的“薛定諤的貓”這一思想實驗,原意在嘲諷哥本哈根解釋的漏洞,卻意外成為未來幾十年理論物理學界孜孜以求的熱門話題。其核心論點在於質疑哥本哈根學派對量子力學在微觀領域詮釋的侷限性,並以此建構一座宏觀與微觀溝通的橋樑,一端是代表微觀不確定性的粒子衰變,另一端則是貓的生死這兩種互斥狀態。

按照薛定諤的設定,粒子衰變的疊加態透過這道橋樑影響貓的生死,導致其處於一種荒謬的疊加狀態。然而,在這一實驗構想中,薛定諤忽視了一個明顯的缺陷:

那就是,粒子是否衰變是透過蓋革計數器這個宏觀物體來觸發的。換言之,真正決定貓生死的並非薛定諤原先設想的開箱那一剎那的波函式坍縮,而是蓋革計數器的測量結果。

簡明扼要地講:貓的生死並不取決於是否有人開啟盒子,雙眼是否目睹,而是與蓋革計數器的測量行為緊密相關。

這實際上也是哥本哈根學派對“薛定諤的貓”的解釋,看似滴水不漏,但實則仍存在疑點:

比如,在放入盒子之後,貓是否真的經歷過生死並存的疊加狀態?為何由微觀粒子構成的蓋革計數器能導致波函式的坍縮?

針對這些疑問,歷史上湧現了無數理論解釋,從充滿科幻色彩的“平行宇宙”說,到“隱變數理論”,直至目前為止,最為可靠且得到實驗支援的解釋就是“量子退相干”。

那麼,量子退相干是什麼?簡而言之,一個量子系統的相干性(可以理解為疊加態)會因與周遭環境的量子糾纏而改變,這過程使得原本的量子行為轉變為經典的行為模式(即薛定諤方程中的波函式坍縮)。這一過程需要時間,在宏觀尺度上,這個時間通常極其短暫。

如果將量子退相干的原理應用於“薛定諤的貓”實驗中,實驗情形如下:

一個封閉的盒子內,首先放入一個處於衰變疊加狀態的量子系統(例如一個可能衰變的粒子),然後把蓋革計數器、繼電器、錘子、裝有毒藥的瓶子以及貓一併放入,緊閉盒蓋。

在這極短的一瞬間,一系列事件接踵而至:

衰變粒子的環境發生改變(引入了上述物體),並與環境發生量子糾纏,導致盒子內的所有物體(包括盒子本身)都陷入疊加態。

由於量子退相干的效應,這個系統在極短時間內完成了從疊加態到本徵態(即確定狀態)的轉變。

假設粒子處於衰變的本徵態,蓋革計數器便會觸發連鎖反應,繼而透過繼電器落下錘子,砸碎裝有毒藥的瓶子,導致貓死亡。若粒子處於未衰變的狀態,則貓會安然無恙。

這種解釋看似平平無奇,曾一度與其他如“平行宇宙”的解釋一樣,不具備可證偽性。然而,在1996年,法國物理學家塞爾日·阿羅什首次實現了對輻射場介觀疊加態的相干性因量子退相干而遭受破壞的定量觀測。也因此,阿羅什榮獲了2012年諾貝爾物理學獎。

儘管物理學界數十年來的困擾似乎得到了解答,我們仍然不清楚量子退相干背後的深層物理機制。

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