量子力学有多不可思议?解读诡异的电子双缝干涉实验和薛定谔的猫

宇宙时空 2024-11-08 15:22:51

“薛定谔的猫”这一思想实验,原本意在嘲讽哥本哈根学派对量子力学所谓的“叠加态”解释,不料最终却演变成量子力学领域中最为著名的科普案例。至于双缝干涉实验令人不安之所在,正是在于它揭示了一个微观粒子既能展现波动性,又能呈现粒子性的神奇二象性。若再加上人类的观察行为,这个粒子仿佛还能变换其状态,甚至制造出一种“逆时空”的幻象。

现在让我们深入探讨“薛定谔的猫”这一实验。

任何科学实验的孕育,皆有其时代的和文化的背景,科学实验无一例外。

“薛定谔的猫”这个思想实验诞生之时,正是爱因斯坦的“决定论”与玻尔的“概率论”激烈辩论的末期。彼时,爱因斯坦已长辞人世,薛定谔这位爱因斯坦的门生,将悲痛化为斗志,提出这一想法以表达他对现状的不满。

那么,他为何不满呢?

其原因在于,薛定谔一方强烈反对量子力学的概率解释。

试想一下,爱因斯坦创造了“光子”这一概念,玻尔却仅以概率解释回应,人们还大加赞赏;薛定谔创造出“波函数”,玻恩却给出一个让他难以接受的概率解释,而玻恩还因此获得了诺贝尔奖。看着他们依靠解释就声名鹊起,获得无数粉丝和认可,心里自然感到愤懑。

而这亦揭示了一个物理学中的真理:物理概念的分量重于数学公式,理解其内涵胜过机械应用。

不过,言归正传,让我们深入探讨爱因斯坦与薛定谔反对的真正核心。

核心之所在,在于万物皆由微观粒子组成。若微观粒子遵循概率运动,岂不是意味着宏观世界也应如此?换句话说,我们观看月亮时,月亮存在;不看时,月亮是否就不复存在?这是对玻尔等人关于“波函数坍缩”解释的质疑。

玻尔反驳道,我们讨论的是微观粒子,你却用月亮作比,这并不恰当。

于是,薛定谔便设想了一个实验,将微观世界的特性引入到宏观领域。简单来说,就是通过放射性元素的衰变这一微观现象来决定一只猫的生死:衰变则触发毒气机关,猫死;不衰变则无事发生,猫生。

量子力学的概率解释认为,未经观测的放射性元素同时处于衰变与未衰变的叠加态。

叠加态与我们常识中的已衰变或未衰变是两码事,其核心在于同时性。如此推论,那这只猫也应处于生死叠加的状态。

然而,实验本质上荒谬且无科学依据。因为在实际中,所谓的测量并非我们所理解的“看见”,只要宏观物体对微观粒子作出判定,便算作测量。实验中的毒气机关,本质上就能判定元素是否衰变,所以“生死叠加的猫”的情况并不会发生。

但对普通人来说,鲜少有人会深究这些细节。大家记住的是“薛定谔的猫”带来的反直觉的认知,这个生死共存的故事,极大地推动了量子力学的普及,其科普价值远超科学价值。量子力学因此得到世界的关注,对玻尔一派而言,这无疑是双赢的。

此外,除了“哥本哈根学派”,并无其他解释能更好地阐述量子运动状态。

我们再探讨一下双缝干涉实验。

最早的杨氏双缝实验,仅证实了光的波动性。

但后续的科学家在原有实验上做了许多改良,实验变得越来越复杂,得出的结果也越来越令人费解,甚至让人感到恐怖。

其中的单电子双缝干涉实验,首次揭示了粒子的波粒二象性,并打破了人们之前的错误观念,即一群粒子呈现波动性,单个粒子呈现粒子性。

延迟选择实验和擦除实验,则表明了单个粒子的状态会随着测量而变化,表现出粒子性或波动性。也就是说,我们一次只能测量粒子的一个特性。

此外,测量粒子过程中,除非形成最终判定,否则粒子的所有可能路径都不算存在,只能以概率波的形式描述。这里的概率波并非我们通常理解的波动性,而是纯粹的数学概念,意指在测量前,粒子可以被认为不存在。

至于具体的理论描述,请参考“哥本哈根学派”的官方解释。

大多数人觉得双缝干涉实验令人不安,是因为误以为观测和人的意识有关,认为人的意识决定了粒子的运动状态,而事实并非如此。

当然,以上所有结论,许多人会觉得难以接受,因为这与我们日常的经典认知大相径庭。

目前科学所能提供的,除了高维理论外,没有其他理论能解释这些现象。因此,关于量子力学的“哥本哈根解释”,仅是基于实验结果的语言总结。对于量子的运动状态,我们现在还只能停留在应用层面,尚未形成公认的科学原理。

这正是量子力学领军人物玻尔所言,若有人对量子不感到困惑,那他就未曾真正理解量子力学。

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