薛定谔的猫是个什么实验?有什么意义?说的简单易懂一点

Question

薛定谔的猫是个什么实验?有什么意义?说的简单易懂一点

Answer 1

薛定谔猫是关于量子理论的一个理想实验.
　　　实验内容：这只猫十分可怜,她（假设这是一只雌性的猫,以引起更多怜悯）被封在一个密室里,密室里有食物有毒药.毒药瓶上有一个锤子,锤子由一个电子开关控制,电子开关由放射性原子控制.如果原子核衰变,则放出α粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,释放出里面的氰化物气体,雌猫必死无疑.这个残忍的装置由薛定谔所设计,所以此猫便叫做薛定谔的猫.
　　薛定谔的倒霉猫薛定谔猫提出　原文：薛定谔在１９３５年发表了一篇论文,题为《量子力学的现状》,在论文的第５节,薛定谔描述了那个常被视为恶梦的猫实验：哥本哈根派说,没有测量之前,一个粒子的状态模糊不清,处于各种可能性的混合叠加.比如一个放射性原子,它何时衰变是完全概率性的.只要没有观察,它便处于衰变／不衰变的叠加状态中,只有确实地测量了,它才会随机的选择一种状态而出现.那么让我们把这个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态.现在薛定谔想象了一种结构巧妙的精密装置,每当原子衰变而放出一个中子,它就激发一连串连锁反应,最终结果是打破箱子里的一个毒气瓶,而同时在箱子里的还有一只可怜的猫.事情很明显：如果原子衰变了,那么毒气瓶就被打破,猫就被毒死.要是原子没有衰变,那么猫就好好地活着.
　　　自然的推论：当它们都被锁在箱子里时,因为我们没有观察,所以那个原子处在衰变／不衰变的叠加状态.因为原子的状态不确定,所以猫的状态也不确定,只有当我们打开箱子察看,事情才最终定论：要么猫躺在箱子里死掉了,要么它活蹦乱跳地“喵呜”直叫.问题是,当我们没有打开箱子之前,这只猫处在什么状态?似乎唯一的可能就是,它和我们的原子一样处在叠加态,这只猫当时陷于一种死／活的混合.
　　一只猫同时又是死的又是活的?它处在不死不活的叠加态?这未免和常识太过冲突,同时在生物学角度来讲也是奇谈怪论.如果打开箱子出来一只活猫,那么要是它能说话,它会不会描述那种死／活叠加的奇异感受?恐怕不太可能.换言之,薛定谔猫概念的提出是为了解决爱因斯坦的相对论所带来的祖母悖论,即平行宇宙之说.
[编辑本段]薛定谔猫疑惑
　　尽管量子论的诞生已经过了一个世纪,其辉煌鼎盛与繁荣也过了半个世纪.但是量子理论曾经引起的困惑至今仍困惑着人们.正如玻尔的名言：“谁要是第一次听到量子理论时没有感到困惑,那他一定没听懂.”薛定谔的猫就是诸多量子困惑中有代表性的一个.
　　原子核的衰变是随机事件,物理学家所能精确知道的只是半衰期——衰变一半所需要的时间.如果一种放射性元素的半衰期是一天,则过一天,该元素就少了一半,再过一天,就少了剩下的一半.但是,物理学家却无法知道,它在什么时候衰变,上午,还是下午.当然,物理学家知道它在上午或下午衰变的几率——也就是雌猫在上午或者下午死亡的几率.
　　如果我们不揭开密室的盖子,根据我们在日常生活中的经验,可以认定,雌猫或者死,或者活.这是她的两种本征态.但是,如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫,则只能说,她处于一种活与不活的叠加态.我们只有在揭开盖子的一瞬间,才能确切地知道雌猫是死是活.此时,猫的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态.
　　量子理论认为：如果没有揭开盖子,进行观察,我们永远也不知道雌猫是死是活,她将永远到处于半死不活的叠加态.这与我们的日常经验严重相违,要么死,要么活,怎么可能不死不活,半死半活?
　　薛定谔挖苦说：按照量子力学的解释,箱中之猫处于“死－活叠加态”——既死了又活着!要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死.（请注意!不是发现而是决定,仅仅看一眼就足以致命!）正像哈姆雷特王子所说：“是死,还是活,这可真是一个问题.”只有当你打开盒子的时候,迭加态突然结束（在数学术语就是“坍缩（collapse）”）,哈姆雷特王子的犹豫才终于结束,我们知道了猫的确定态：死,或者活.哥本哈根的几率诠释的优点是：只出现一个结果,这与我们观测到的结果相符合.
　　但是有一个大的问题：它要求波函数突然坍缩.但物理学中没有一个公式能够描述这种坍缩.尽管如此,长期以来物理学家们出于实用主义的考虑,还是接受了哥本哈根的诠释.付出的代价是：违反了薛定谔方程.这就难怪薛定谔一直耿耿于怀了.