为什么少有人做“薛定谔的猫”这个实验,是有技术难度吗?

作者&投稿:帅致 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
~ 不是有技术难度,而是这个实验根本没办法做。

把一只猫关到盒子里,内部设置一个由物质衰变触发的毒药装置,在一个周期内,衰变物质有二分之一的几率衰变,如果衰变,就会触发装置,毒药释放毒死这只猫,如果没有衰变,那这只猫就会活下来。那么在盒子关上之后,猫究竟是死是活?这就是薛定谔的猫实验。

薛定谔认为,在盒子没有打开之前,这只猫的生死无法确定,所以说它既没有"死"也没有"活",而是处于生和死的叠加态,但当盒子打开的一瞬间,这种叠加态就塌缩成一种状态,要么死,要么活。怎么样?有没有感觉很绕?

薛定谔的猫,究其本质,不在这个实验,而是为了通过这样一个假说来说明微观世界的一种叠加的状态,注意是微观,而一只猫很显然是宏观的,所以这个实验即便做了也没什么意义。此外,如果我们不观察内部,我们无法确定猫的状态,但如果我们观察了内部,不管以何种方式获得内部真实情况,那只猫的生死都会瞬间塌缩到一个状态,那这个实验又有什么意义呢?

所以薛定谔的猫这个实验注定只能成为一个人类认识微观世界的宏观桥梁,这个实验根本没有办法做,不管过去现在还是将来,都没办法通过这个实验获得理想的结果。毕竟这个实验根本不符合现有规律,我们根本无法观察。

“薛定谔的猫”是一个许多人耳熟能详的故事,有些人甚至能够将它完整地背下来。

然而真正能够了解这个故事及其背景的人却并不多, 如果你真的希望谁复制这个实验,去抓只猫来试一试的话,那就说明你真的不懂它。

薛定谔并没有打算做这个实验,他甚至不认为这个实验能够成功,因为他阐述的是一个悖论 ,用了当时科学家们最拿手的思想实验的方式。在薛定谔的猫身上,有强烈的不满,我们甚至能感觉到些许讽刺。

(薛定谔的猫)

埃尔温·薛定谔是一个伟大的物理学家、概率量子力学——波动力学的创始人,是现代量子力学的主要奠基人之一。薛定谔因他的薛定谔方程获得诺贝尔物理学奖。

薛定谔是一个实在论者,他提出过两条基本原则: 一是自然的可理解性原则,二是客观化原则 。薛定谔在他的科学研究中也始终坚持这两条原则。正因为如此,它造成了薛定谔与玻尔为首的量子力学哥本哈根学派之间的激烈碰撞。

(哥本哈根学派:玻尔、海森堡与泡利)

我们先来简单介绍一下 哥本哈根学派 ,它是玻尔、海森堡和波恩为首在哥本哈根所创立的学派,代表人物还有大名鼎鼎的泡利、狄拉克等科学家。他们是量子力学理论最后的赢家,因此哥本哈根学派的量子力学观点后来被冠以“正统解释”的帽子(据说是因为反对者都先死了)。但是在一开始,波尔和海森堡的“不确定性原理”还是引发了一大波反对声的。

其中 最激烈的两个反对者就是薛定谔和爱因斯坦 。薛定谔拎出了猫,而爱因斯坦更是搬出了“上帝”。

(爱因斯坦与薛定谔)

提到薛定谔,就不能不提著名的薛定谔方程,尽管这世上没几个人能看懂,我还是觉得将这几个高大上的方程式贴出来是件很有面子的事情:

(薛定谔方程组)

1926年, 薛定谔通过二阶线性偏微分方程组确立了量子波动力学,也一举奠定了自己在量子力学中领导者之一的地位 。

同年9月,玻尔邀请薛定谔去哥本哈根讲学,这本来是件愉快的事,但薛定谔却并不快乐,他从下了火车就开始跟玻尔“吵架”,一直吵到玻尔家里,住在玻尔的家里他俩天天吵,每天从早上起床就开始吵,一直吵到深夜。

本来是去做客的,这两个科学家为啥吵起来了呢?为了学术。前面说了 薛定谔创立了量子波动力学,他坚定地认为量子力学具有波函数的性质,它应该是连续的。但玻尔却认为量子存在非连续性的跃迁,并且由于“隐变量”的关系,这种跃迁是不可测量的,在你测量它之前永远不知道到底是个什么状态,而一旦你开始测量,它就崩溃了。这一点显然是在挑战波函数的连续性,对于持经典力学观点的薛定谔无论如何也难以接受的。

(玻尔和他的妻子)

就这样吵了几天之后,薛定谔病倒在玻尔家里,玻尔的妻子一边给他端水递药,玻尔还在一旁不停地解释,试图说服薛定谔。你说他这是去讲学呢,还是去洗脑?

当薛定谔回到家后,也许是出于对玻尔老婆照顾的感激,他不再激烈反对“不确定性原理”,但对于哥本哈根派的隐变量解释却始终持批判态度。 薛定谔与爱因斯坦联合起来共同对抗玻尔和海森堡的哥本哈根学派,直到炮制出“薛定谔的猫” 。

(被玻尔“聊倒”的薛定谔)

“薛定谔的猫”实验中,假设了两个要素: 一是由核衰变释放粒子控制的电子开关和毒药,另一个是不知死活的猫 。薛定谔希望利用这个思想实验中的不确定条件暗讽哥本哈根学派“隐变量”的不确定性,从而指出 这是一个悖论。因为实验中的猫除了“死”与“活”两种状态外,还有一个“不死不活”的状态,因为你永远不能确定它的死活 。而量子现象恰恰会处于某种混沌的状态,你不能预测它,这让薛定谔这样的科学家很恼火。

(薛定谔和他的猫)

爱因斯坦也一样,那个 “上帝不会掷色子”就是爱因斯坦面对量子现象不确定性问题时的错愕与愤怒 。他听懂了量子理论,但不能接受这种解释。爱因斯坦喜欢薛定谔方程及波函数的确定性,他至死都不认可还有“不死也不活状态”的猫。

最后说一说思想实验。与今天的物理学家们严重依赖价值数百亿美元的强子对撞机不同,十九、二十世纪的科学家们大量采用的是思想实验,他们在头脑中构筑起思想机器、用精密的逻辑和思维来驱动微观粒子、用美妙的数学来计算、用简洁优美的公式来告诉人们结论。当爱因斯坦还是瑞士伯尔尼专利局的小职员时,他根本没有条件去测量天体,但他却通过思想实验创立狭义相对论与广义相对论。同样的,薛定谔也用他精确的方程组创立了量子力学的半壁江山。

(那个时代的科学巨匠们)

对于科学,科学家们一直在不停地 探索 ,而我们这些吃瓜群众要做的,不仅是认可他们的工作,还应该学会以科学的态度去看待科学。即便是质疑,你也应提出自己的观点,将它拿出来讨论,就像薛定谔做的那样。

质疑决不是没头没脑地来一句:“你这是胡扯!”然后拍屁股走人。

当然,你需要有知识。

实话说,我刚开始连薛定锷的猫这个实验是什么都不知道。最后我查了一下资料,才知道这个实验的原理,薛定鄂的猫被称为物理界的四大神兽之一,可想其难度也是非常高的,这个实验是一个思维实验,当初薛定鄂制定这个实验的时候,打算拿一只猫做实验体。所以这个实验被称为薛定鄂的猫。

实验的大概过程是,在一个密闭的盒子里放上几个物品,一只猫,一瓶毒药,一个敲击物,一个电子开关,还有一些放射性物质,这个实验的主要目的是为了证明元素衰变后会产生阿尔法粒子,触碰开关,打碎毒药,最后猫死去,但是大家都应该知道微观量子的变化是很难改变这个宏观世界的,对吧。所以说这个实验的成功率是很低的,也可以说是几乎不可能,这个实验彻头彻尾就是一个思想实验,只能在理论上可行。

我个人认为这个实验应该是能完成的,只是难度比较大,我讲的这些只是最基础的原理而已,再往后更深层次的理解,我是肯定不会的,但是我认为微观粒子应该也是能改变这个宏观世界的,只是改变的量很小,小到你观测不到。大部分人都无法成功,是因为理解不了,再加上观测不到,所以也就少有人做了。

霍金说过,谁要是跟我提薛定谔的猫,我就去拿枪!题主还想做个实验,本猫的枪呢?

既然题主这么好学,在我找到枪之前,我先说一段关于这只物理世界最著名猫的前世今生吧。

量子力学的奠基人之一,本来是大名鼎鼎的爱因斯坦,1905年的光量子概念以及相对论一出,物理界自“两朵乌云”后的愁云惨雾本来大有机会烟消云散;斜刺里却杀出了以不确定(海森堡的不确定性原理)、大概吧(波恩的概率解释)、都凑合(玻尔的“互补原理”)形成量子力学核心解释。把科学的区域性以及绝对性打得粉碎。曾将宇宙万物过去未来都算出精确结果的物理学界,突然连个电子的精确位置都算不下去了!简直斯文扫地。

爱因斯坦和薛定谔实在看不下去,决定下场死磕。爱因斯坦掷出了上帝的骰子,而薛定谔则放出了这只扰动科学界的猫。

爱因斯坦这茬我们略过,今天我们专注于薛定谔的猫。

这是个老话题了,先上图:

我再给同学复习一次:现在有一个小盒子装有放射性源,设其半衰期为一个小时,即一小时后有一半概率放射出一个粒子,根据量子力学叠加原理,一小时后空间将处于有一个粒子(记为|1⟩),和没粒子(记为|0⟩)的叠加态|ψ⟩=12√(|0⟩+|1⟩)。盒子连接着一个机关,机关控制一个装有致命毒气的瓶子。

如果有粒子,盒子的机关会被打开,铁锤将落下,打破装有毒气的瓶子,毒气会将密封于笼子里的猫毒死,如果小盒子未放出粒子,则一切如常,猫将活下来。那么,一个小时后,这只猫究竟是活的还是死的?

按照哥本哈根的量子态叠加原理解释,在我们观察之前,猫处于半死不活的叠加态;这便是困扰物理学界超过80年的魔兽—— “薛定谔的猫”。

插句题外话,薛定谔可不是动物学家,人家的薛定谔方程在物理界是排前十的伟大,就是他的死对头量子派,也是给予极度认可的,照料上个图,大家瞻仰瞻仰:

此猫一入尘世之间,世人皆惊愕莫名!现实生活中,猫要么死,要么活,从来没听说过生死不明状态的猫存在。其实, 同学们不要被薛定谔迷住眼睛,猫不是重点,死和活两种确定的状态才是 。

这里的关键词是可以区分的死或活两种状态,可以是猫,也可以是任何其他客观事物,推而广之,微观世界量子尺度的叠加态,能否直接引申到宏观世界中,和客观事物发生直接的作用,并且被观测记录到,这个才是薛定谔的猫实验的本质。

简单的表述—— 人们能否制作宏观可区分的量子态 !

回答这个问题,其实就是回答题主的疑问,如何制作一个宏观可区分的量子态的实验。

按照目前的科学技术发展水平,中国的大牛们还是有办法的。

根据郭光灿院士的说法,《量子光学》中的相干态|α⟩,是最接近于经典的量子态。理想的激光就是相干态,而且当其平均光子数很大时,相干态的量子效应便可忽略不计,可被视为经典电磁波。根据这个原理,采用相位差为π的两个相干态的叠加可以作为模拟“薛定谔的猫”的方案。

这类方案已被实验所验证,最先是在原子尺度上制备出“薛定谔的猫”,其后在宏观尺度上也取得了成功。

人造的薛定谔的猫,其实就是人造的量子系统,往深了说,这就是量子计算机原理的基础。

如果在这方面,可以取得突破的话,未来世界,将会发生有一次重大的革命!

薛定谔的猫,原来 你不是一只恐怖的妖兽,而是人类通向无限运算能力的钥匙 啊。

我是猫先生,感谢阅读。

薛定谔的猫其实是个思想实验,最早是由薛定谔提出的,用来反对哥本哈根学派(代表人物就是玻尔和海森堡)提出的量子力学的不确定性效应的, 实验的精妙之处就是将微观现象和宏观现象巧妙的联系了起来,但是实验本身没有什么技术难度。

实验需要用到一只倒霉的猫、少量(大量就把猫给辐射死了)具有放射性的镭、装有剧毒物质(氰化物)的小烧瓶,一个铁锤、装有放射性探测器的机关、一个大的玻璃容器,一块黑布。

实验是这样的,将以上物质装入到大玻璃容器后,盖上黑布。如果放射性的镭衰变,探测器就会触发机关,锤子下落将烧瓶打碎,氰化物释放出来就会将猫毒死, 根据量子力学理论,镭可以处于即衰变又没衰变的叠加态,这时猫就是即死又活的叠加状态,只有掀开黑布才能确定猫是死的还是活的。

正常思维是,客观世界是什么样的,观察到的结果就是什么样的,但是量子力学提出了观测的过程会影响结果, 本来是既死又活的猫,观测的瞬间就确定猫处于什么状态了 ,这显然不可想象的,因此这个实验用来反对量子力学的概率说, 但是这个实验却没有起到抨击的效果,反而将量子力学微观的不确定性衔接到了宏观领域,形象的解释了量子力学的不确定性效应。

当时不仅薛定谔反对量子力学,爱因斯坦也不看好量子力学,但是现在哥本哈根学派关于量子力学的诠释已经被物理学界普遍认可。

答:“薛定谔的猫”是量子力学的一个思想实验,实际可以做实验,但是无法观测到“猫死”和“活”的叠加;如果把猫换成其他微观粒子,科学家是可以制备薛定谔猫态的,也有不少实验室完成过类似的实验。

大名鼎鼎的“薛定谔的猫”,已经折腾了科学界80多年,可以说人类对量子力学的理解还远远不够,就连物理学家费恩曼也说到:”我想我可以有把握地说,没有人真正理解量子力学。”

薛定谔的猫是奥地利物理学家薛定谔,在1935年提出的量子力学思想实验,实验内容:一个封闭盒子内有一只猫,以及少量放射性物质,一段时间后,有50%的概率放射性物质会发生衰变,然后通过巧妙的物理装置释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变,从而猫活了下来。那么问题在于,我们在没有打开箱子前,猫是死的还是活的?

第一眼看到这个问题时,很多人肯定会想“提问的人有毛病吧!是死是活打开不就知道了,没打开前就是一个概率问题。”

如果我们在经典力学中思考这个问题,那么质疑者完全是正确的,没打开盒子前猫的死活就是一个概率问题;然而一旦把这个问题放在量子力学中考虑,结果就会变得扑朔迷离。

根据量子力学根本哈根学派的解释:由于物质衰变是一个量子随机的过程,所以在没打开盒子前,整个系统就处于不确定性的波态,猫的死与活是叠加的,需要注意的是,量子力学描述猫的死与活叠加并非一个数学描述,而是要求物理情景就是"猫死"与“猫活”的叠加,一只不死不活的猫,换做是谁也接受不了。

薛定谔的猫只是量子力学中怪异结论的一个,这个问题直指量子力学和经典力学的边界性,量子力学在微观获得了巨大的成功,但是宏观世界的解释还得靠经典力学,那么两者的边界到底在哪里呢?

"薛定谔的猫"实验是无法实际完成的,因为我们不可能同时观测到猫死与猫活两个状态,但是在微观世界当中,确实有科学家制备了“薛定的猫态”,也就是叠加态。

比如在2016年,《科学》杂志发表一篇文章,称美国耶鲁大学的一名科学家,首次实现了一种双模式的猫态,实验者利用两个微波超导空腔,空腔内有几十个光子组成驻波,然后通过巧妙的方法,把两个空腔内的光子实现关联,这些光子就如一只“薛定谔的猫”同时存在于两个箱子当中。

在2019年1月23日,浙江大学和中国科学技术大学的研究人员联合中美多个研究团队,首次在人工量子系统中合成了反对称自旋交换作用,从而实现了“薛定谔猫态”的制备,也就是叠加态的制备,目前量子计算机的技术瓶颈,也就是对叠加态的制备和操控。

首先说明一下,“薛定谔的猫”不是真正的实验,因此没有证明任何东西。薛定谔的猫甚至不属于任何科学理论, 薛定谔的猫只是薛定谔用来说明某些人如何误解量子理论的教学工具 。

薛定谔用猫构造了他的假想实验,以证明对量子理论的简单误解会导致荒谬的结果,与现实世界不符。不幸的是,当今许多科学普及者都接受了薛定谔猫的荒诞说法,并认为这是世界真正的运作方式。

图注:“薛定谔的猫”实验原理图

在量子理论中,量子粒子的状态可以以叠加的形式存在,并且在与其他粒子相互作用时会塌陷为单个状态。量子理论是在1930年左右发展起来的,一些科学家从科学领域转移到了哲学领域,并指出当有意识的观察者观察量子粒子时,量子粒子就会从叠加态坍塌到一个状态。薛定谔发现这个概念是荒谬的,并设计了他的思想实验,以使这种荒谬的说法变得更加的明显。

在薛定谔的假想实验中,将一只猫放在装有少量放射性物质的盒子里。当放射性物质发生衰变时,它会触发一个控制开关,这将导致盒子里的毒药被释放,从而杀死盒子里的猫。然而,放射性物质的衰变受量子力学定律支配,这意味着原子以“即将衰变”和“不会衰变”的叠加态存在。

图注:波函数

如果放射性物质发生衰变,那么它将释放毒药并杀死猫。如果没有,那么这只猫还活着。 因为我们不知道猫是活着还是死了,所以猫被认为是以既活着又死了的状态同时存在着,直到有人打开箱子,看到猫的状态是什么。有人就很好奇,怎么会存在既活着又已经死了的猫呢?薛定谔正是通过这种荒谬的结论来告诉一些人是如何误解量子理论的,因为世界上不可能存在既死了又活着的猫。

爱因斯坦也对观察者会影响量子状态的说法提出了自己的疑问,并对薛定谔的巧妙构想表示祝贺,他说: “在这种放射性物质+控制开关+毒药+猫的系统中,如果存在着同时活着和死亡的猫。那么仅当物理学家在某个确定的时间打开盒子时,猫的状态才被确定吗?如果猫死了,那猫是什么时候死的呢?难道是打开的一瞬间吗?”。

图注:证明量子存在叠加态的双缝干涉实验

从那时起,已经有足够的证据表明波函数的坍塌并不是仅由有意识的观察者驱动的。 实际上,量子粒子进行的每一次相互作用都会破坏其状态 。仔细的分析表明,“薛定谔的猫”实验将在宏观世界中发挥如下作用:一旦放射性原子与控制开关相互作用,它就会从未衰变和衰变的叠加状态塌陷到一个确定的状态。如果放射性物质发生了衰变,那么绝对会触发控制开关,并且肯定会杀死猫。如果放射性物质没有衰变,那么绝对不会触发控制开关,并且猫肯定还活着,但是这两种情况不可能同时发生。

图注:实验中的猫只可能存在一种状态

总而言之,量子坍塌不仅是由有意识的观察者驱动的,“薛定谔的猫”仅仅是一种教学工具,旨在通过将观察者驱动的概念简化为荒谬来使这一事实更加明显 。不幸的是,当今的许多科普作家继续传播这样的一种误解,即量子状态是由有意识的观察者确定的,希望这篇文章能够让大家今后对“薛定谔的猫”有一个正确的认识。

我是科普子期君,期待你的评论、转发哦!

提问人对概念的理解有问题。先分清思想实验和物理实验的区别。为了加深印象,也可以多看几个物理上著名的思想实验,例如伽利略的惯性思想实验,爱因斯坦的引力等效加速度的电梯加速的思想实验等等。

很直观的表现就和骰盅一样,你没打开就不知道里面的点数,因为有很多种可能,打开了,也就触发了其中一种可能,那么事物的规律就会朝这个方向发展,进而引发一连串的蝴蝶效应,那么你的命运在这个宇宙也就注定了。同样的道理,我们在做任何选择的时候,就是一种发展方向了,进而衍生了这个宇宙的发现模式,如果选择了另外一个,就会走向另一个宇宙,所以说平行宇宙可以很好的解释这种理论,而量子很神奇的就是,你观察了他就会出现,你不观察他就不存在,有一种我思故我在的感觉

要作一个试验,关键是要弄清楚在这个试验中,我们要测量的是什么?

按照哥本哈根学派的说法,那只猫,在观测前,处于死了与活着的叠加态,但是,这个神奇的死活叠加态不能观测,一旦观测,叠加态就会坍缩,你只能看到坍缩后的一个明确确定的死状态,或一个明确确定的活状态,根本看不到那个死活叠加态。请问,你在这个试验中究竟想观测什么?你又能观测到什么?

有人说,叠加态的说法,不适用于像猫这么大的宏观物体,但如果你在薛定谔的论证中找不到任何逻辑矛盾,你凭什么说叠加态的说法不适用于这只猫?

就算叠加态只能存在于量子现在象中,你能给我一个量子现象中肯定存在有叠加态的证据吗?你实测到了一个叠加态吗?你能实测到一个叠加态吗?你敢对着一个叠加态进行实测吗?你的实测不会引起叠加态坍缩吗?

那个死活叠加态究竟存在还是不存在?


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漕思丽思: 在量子力学的观点看来,海森堡的不确定性原理适用于一切物理对象,只不过在宏观上其效果很不微弱,完全可以忽略.不确定原理的本质在于告诉我们,微观粒子的各种物理量本身就是不确定的,而不是我们测不准.量子力学向我们展示了一个本质上客观上就不确定的世界.在深究就会涉及到一些很深的物理哲学问题,比如物理定理的本质是统计性的(如量子力学)还是确定性的(入经典力学和相对论) 不确定性原理是量子力学的基础,其重要意义在于奠基了量子力学,而没有量子力学哪来的微电子,哪来的计算机,那来的这个答案. 所谓薛定谔的猫,不过是对量子力学根本哈根学派的解释的一个责难,不过是把一个微观过程形象的用一个宏观过程比喻了出来,当不得真的.要不然你就陷入了唯心的深渊

内江市19350659093: "薛定谔的猫"问题,为什么不用一个透明的盒子观察? -
漕思丽思: 这个盒子不是真正的盒子,猫也不是真正的猫.“盒子里的猫”就是对人类现有的,对量子层面观察技术的极限的隐喻——我们无法直接观测微观世界.这个实验本身只是一个隐喻,是无法实现的,因为我们连观测都不能直接完成,自然也做不出可以根据量子状态自动毒死猫的装置.最初这个实验的提出,是为了批判量子力学理论在当前技术水平下表现出的不确定性.后来随着研究的进一步深入,奇怪的不确定性没有被消除,反而成为了量子力学的标志.并不是我们想要把猫放在箱子里,而是根据现状,我们发现猫只能在箱子里.

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