到底什麼是"薛丁格的貓"
2017-03-17

二十世紀早期,從一些關於小尺寸微觀物理的實驗裡,物理學家發現了很多新穎的量子現象。對於這些實驗結果,古典物理完全無法解釋。然而,物理學家提出了一些嶄新的理論。而這些理論能夠非常精確地解釋新發現的量子現象。

電子的雙狹縫干涉實驗

隨著科技的進步,現在已發展出能發射單獨電子的儀器。使用單獨電子發射器來進行雙縫實驗,可以使任意時間最多只有一個電子存在於發射器和探測屏之間。也就是說,每次最多只有一個電子通過雙狹縫。

然而,根據實驗結果發現,單獨的電子似乎可以「同時刻通過兩條狹縫」,並且自己與自己干涉。從原子到更複雜的分子,包括巴克球(碳60),這些微觀粒子都會產生類似現象。

當我們進行單個電子的雙縫干涉實驗時,兩條狹縫上都留下了這個電子干涉過的條紋。一旦我們用專門的儀器觀察電子進行,干涉條紋便會消失。

根據1927年的量子力學「哥本哈根詮釋」的解釋是這樣的:當我們不進行觀察時,電子具有波動性,因此能彌散開來,留下條紋;一旦我們展開觀察,就有一個光子撞擊了這個電子,這個電子便具有了確定的位置,呈現出粒子性,直線傳播而無法干涉這兩條狹縫。在不觀察時,由於電子沒有確定的位置,電子便是在各種位置的疊加狀態,而人的觀察使得這個電子退出了疊加狀態。

不觀察時→電子便是在各種位置的疊加狀態。
觀察時→使這個電子退出了疊加狀態。

薛丁格打臉

然而,薛丁格並不同意這個說法,而提出薛丁格的貓這個思想實驗:

一隻貓被鎖在一個箱子中,並有一毒氣瓶,在一量子粒子處於某狀態下毒氣瓶會破裂,但若該粒子處於另一狀態,則毒氣瓶完好無損。

一個系統的狀態可以用波函數表示。在你打開箱子之前,用以描述整個事件的波函數就是各佔一半機率的活貓與死貓糾合在一起的狀態。照「哥本哈根詮釋」,當你打開箱子進行觀測,機率波就會崩潰(波函數塌縮),此時箱子裡的貓就變成確定存活或是確定死亡的狀態。

因打開箱子會影響原子以及箱內一切的狀態,故觀測之前此粒子的量子狀態是兩種狀態共存的情況,也就是說毒氣既是已從瓶中放出,又被封存在瓶中。簡言之,箱中的貓同時既是活,也是死。

很明顥,非常不符合常理。薛丁格就是藉著提出這個假想實驗,來反駁量子狀態疊加這項理論(哥本哈根詮釋)。

多世界詮釋

然而除了「哥本哈根詮釋」這種量子詮釋外,還有一個「多世界詮釋」:

當觀測一個處於共存狀態的量子時,會引起這種共存狀態的崩潰,從而使量子只顯現粒子的性質。多世界詮釋認為,觀測時會分離出無數個平行宇宙,每個宇宙都有一個確定的狀態,而「我們只是在其中的一個特定宇宙」。

所以當打開箱子時,也許在我們的宇宙貓是死了,但別的宇宙可能是活著的。

宇宙像一個阿米巴變形蟲,當電子通過雙縫後,這個蟲子自我繁殖成為兩個幾乎一模一樣的變形蟲。唯一的不同是,一隻蟲子只記得電子從左而過,另一隻蟲子只記得電子從右而過。這樣一來,薛丁格的貓再也不必為死活問題困擾,宇宙分裂成了兩個,一個有活貓,一個有死貓。

然後究竟誰是支持「疊加態」的「哥本哈根詮釋」對呢?還是「平行宇宙」的「多世界詮釋」對呢?目前仍沒有答案。

根據「薛丁格的貓」這個實驗,網路上也流傳了「薛丁格的內褲」:
穿裙子的女角,在裙子未掀起之前,無法確定她是否有穿內褲。而掀裙子的動作,會影響她內褲的狀態,在未掀起之前她同時有穿內褲也同時沒穿內褲(各別以1/2的機率狀態同時存在);故無法得知女角之前的裙子內是否100%有內褲存在。


參考資料: