现在来到最后一只神兽,薛定谔的猫,这是四大神兽中最广为人知的一只。奥地利物理学家薛定谔在1935年提出了这样一个思想实验:将一只猫放进一个不透明的盒子里,同时还放入一个放射性的粒子和一瓶毒药。放射性粒子发生放射的概率是50%,不放射的概率也是50%。一旦放射,将触发机关打破药瓶毒死这只猫。那么过了几天之后,请问猫是否还活着?这个恐怕只有在我们打开盒子之后才能确定。但是在打开盒子之前,我们也不知道放射性粒子是否还活着,因此盒子里的猫具有两种状态,一种是已经死了,一种是还活着。但是我们都知道,猫要不就是死了,要不就还活着,怎么能具有两种状态呢?
没错!薛定谔要的就是这种荒谬的感觉,目的就是要推翻当初哥本哈根学派的叠加状态观点。虽然薛定谔是量子力学的奠基人之一,他提出的薛定谔方程更是量子力学的基本方程。但是这并不能说明薛定谔本人对自己的观点坚信不疑,相反,他对量子力学的这种属性始终抱有怀疑的态度,并且写出了这样的一个假象实验来表达对玻尔统计解释的不满以及讽刺哥本哈根学派的“不确定性”理论。
那么盒子里的猫究竟是死还是活呢?我们姑且不管这个,如果实在想知道,那打开盒子看一下好了。我们从量子力学的角度来看看这个猫究竟是怎么一回事:
盒子里的猫处于活着与死去的叠加态,那么什么是叠加态?在量子的世界里,不确定性才是这个世界的特性,而非确定性。简单来说,我们不能描述某个粒子是否处在某个位置,只能说这个粒子处在这个位置的概率为多少。打一个不太准确的比喻,你半夜爬起来上卫生间,在黑暗中你从床底下摸出一只拖鞋,你不知道这只拖鞋是左脚的还是右脚的,因此这只鞋就有50%的概率是左脚,50%的概率是右脚。根据哥本哈根学派的观点,此时拖鞋就处于左脚和右脚的叠加态。
玻恩受到了爱因斯坦的影响,类似于爱因斯坦把解释为“光子密度的概率量度”,玻恩把
解释为在给定时间,在
处的单位体积中发现一个粒子的概率。玻恩指出:“相应于空间的一个状态,就有一个由伴随这状态的德布罗意波确定的概率,若与电子对应的波函数在空间某点为零,这就意味着在这点发现电子的概率小到零”。人们把这种对于波函数和量子力学基本问题的解释成为哥本哈根诠释。
那么到底那只拖鞋是左脚还是右脚的呢?我只要打开灯看一看就知道了。在我打开灯的一瞬间,属于这只拖鞋的波函数就会发生坍缩,由叠加态坍缩成了本征态。因此在我们打开盒子的一瞬间,猫的叠加态也就不存在了,对应变成了死去或者活着的本征态。但是坍缩过程本身没有物理规律来描述,于是人们便提出了“平行宇宙学说”。1957年,科学家休·艾弗雷特提出了著名的“多世界诠释”。他认为:
在薛定谔的猫思想实验中,当我们打开盒子的一瞬间,原本的世界线分为了两条,在一条世界线上,这只猫还活着,而在另一条世界线上,这只猫已经死去了。而我们只能从中选择一条世界线走去,即这只猫可能在我们的世界里是活着的,但是在平行世界中它已经死去了。但是目前为止人们还无法证明平行宇宙的存在与否,因此薛定谔的猫是至今依旧“存活”的唯一一只神兽。那么这只猫的寿命有多长呢?我想,当这只猫的生命达到尽头时,物理学上将会发生一个里程碑式的突破吧。