為什麼「薛丁格的貓」這個實驗在現實中永遠無法實現

2023-04-01 13:27:52 2

薛丁格的貓是量子力學中一個非常著名的實驗。這個實驗的最初目的是證明量子力學的不可靠性，但最終它變成了叛徒，成為證明量子力學正確性的一個重要實驗。但是薛丁格貓的實驗永遠不會在現實世界中實現，也就是說，在宏觀世界中。這到底是為什麼？

1924年，德布羅意在他的博士論文《量子理論研究》中首次提出了相位波的概念，即物質波。在這篇論文中，使用了兩個最出色的公式:E=hv和E=mc2。

德布羅意把這兩個公式結合起來，做了另一個假設。他認為光量子的剩餘質量不是零，而電子等物理粒子具有周期性的頻率過程。

因此，他在論文中得出了一個開創性的結論:任何物理粒子都伴隨著波動。

這種波被德布羅意稱為相位波。

相位波

在這篇博士論文中，德布羅意首次正式提出了「波粒二象性」。他指出，波粒二象性不僅適用於光子，也適用於所有微觀粒子，包括電子、質子和中子。他將光子動量和波長p=h/λ之間的關係推廣到所有微觀粒子，並指出質量為m、速度為v的運動粒子也有波動性，該波的波長等於普朗克常數h與粒子動量mv之比，即λ= h/(mv)。這種關係後來被稱為德布羅意公式。此外，根據這一假設，電子也有波動現象，如幹擾和衍射。

1921年，美國著名科學家戴維森和他的助手康斯坦斯在用電子束轟擊鎳靶的實驗中意外發現，鎳靶發射的少量「二次電子」與轟擊鎳靶的一次電子具有相同的能量，顯然是在金屬反射過程中發生了彈性碰撞。他們特別注意到「二次電子」的角分布有兩個最大值，它們不是平滑的曲線。

這個實驗證明，如果電子有波動，電子束穿過障礙物時應該像光一樣衍射。

電子衍射實驗示意圖

幾乎與此同時，著名的物理學家和電子發現者J·J·湯姆遜的兒子湯姆森也用高速電子穿過多晶金屬箔，獲得了與多晶上的X射線產生的衍射圖案相似的衍射圖案，證實了電子的波動。它為德布羅意波提供了另一個堅實的基礎。他們倆一起獲得了1937年的諾貝爾獎。

在提出波粒二象性之後，海森堡立即給出了他的測不準原理:位置越精確，動量越不精確，反之亦然。

愛因斯坦認為測不準原理表明波函數沒有給出粒子量子行為的完整描述。波函數隻預測粒子系統的概率量子行為。哥本哈根學派的領袖玻爾聲稱，波函數已經給出了粒子量子行為的描述，而從波函數獲得的概率分布是基本的。一個粒子只能有一個確定的位置或動量，不能兩者都有。

玻爾認為人類不可能獲得真實世界的明確結果。他說，他只從這種測量中推斷出下一次測量的各種結果的分布概率，而拒絕對兩次測量之間的事物行為做出具體描述。

這正是愛因斯坦的相對論所不能接受的。儘管相對論推翻了牛頓的絕對時間空，但它仍然保持著嚴格的因果關係和決定論。

作為愛因斯坦的盟友，薛丁格也無法同意玻爾的觀點，所以他提出了「薛丁格的貓」實驗。

將一隻貓放入裝有少量鐳和氰化物的密閉容器中。鐳有可能會衰變。如果鐳衰變，它將觸發當局打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死亡。如果鐳不衰變，貓會活下來。根據量子力學理論，由於放射性鐳是衰變和非衰變的疊加，貓應該是死貓和活貓的疊加。這隻死貓和活貓就是所謂的薛丁格貓。

愛因斯坦聽到薛丁格的貓實驗後非常高興。他回信給薛丁格:「你的貓實驗表明我們的觀點完全相同。包含生與死的波函數ψ不能用來描述真實情況。」

在現實世界中，貓怎麼會處於生與死的狀態呢？薛丁格認為這是對玻爾的一個很好的反駁，但是他忽略了一個問題。微觀世界不同於現實世界。

對宏觀世界的認知不能應用於微觀世界。量子力學的一個中心原則是粒子可以以疊加態存在，並且同時具有兩個相反的特性，即波粒二象性。

雖然我們在日常生活中經常面臨「非甲即乙」的選擇，但在微觀世界中我們可以同時接受「甲」和「乙」。

愛因斯坦的名言；「上帝不玩骰子」，但薛丁格的貓成了最好的論據:上帝似乎在玩骰子。

正是因為量子疊加的正確性，薛丁格的貓實驗永遠不能在宏觀世界中被複製，因為宏觀物質不可能處於「生與死」的狀態，微觀世界和宏觀世界的主人有不同的運行規則。

然而，「薛丁格的貓」微觀世界版可以成功測試。這是什麼意思？為了用微觀世界中的粒子來代替「貓」，研究人員將鈹離子「固定」在間隔幾微米的電磁場陷阱中，然後用雷射將鈹離子冷卻到接近絕對零度，並分三步操縱這些離子的運動。為了使儘可能多的粒子儘可能長時間地實現薛丁格貓態，研究人員一方面提高了雷射器的冷卻效率，另一方面使電磁場阱從離子振動中吸收儘可能多的熱量。最後，他們讓六個鈹離子在50微秒內同時順時針和逆時針旋轉，實現了兩個相反量子態，即薛丁格貓態的相等疊加糾纏。