在量子力学的殿堂中,“薛定谔的猫”这一思想实验无疑是最具传奇色彩的科普案例之一,尽管它最初是薛定谔为了讽刺哥本哈根学派关于量子叠加态的解释而提出的。与之同样引人深思的,还有双缝干涉实验,它揭示了微观粒子既展现波动性又呈现粒子性的奇妙二象性,并引发了关于观察行为对粒子状态影响的广泛讨论。
“薛定谔的猫”这一思想实验诞生于爱因斯坦的“决定论”与玻尔的“概率论”激烈辩论的尾声。作为爱因斯坦的门生,薛定谔在爱因斯坦去世后,深感量子力学的概率解释未能满足他的科学追求。他反对将概率作为量子力学的核心,尤其是当玻恩因对波函数的概率解释而获得诺贝尔奖时,薛定谔的不满情绪达到了顶点。他坚信,物理概念的理解远比数学公式的应用更为重要。
薛定谔的不满源于他对量子力学概率解释的深刻质疑。他提出,如果微观粒子遵循概率运动,那么宏观世界是否也应如此?这一疑问引发了关于“波函数坍缩”的激烈讨论。为了将微观世界的特性引入宏观领域,薛定谔设想了一个实验:一只猫的生死由放射性元素的衰变决定。根据量子力学的概率解释,未经观测的放射性元素同时处于衰变与未衰变的叠加态,因此猫也应处于生死叠加的状态。然而,这一实验在现实中并无科学依据,因为宏观物体对微观粒子的判定即构成测量,所以“生死叠加的猫”并不会发生。
尽管如此,“薛定谔的猫”这一思想实验却极大地推动了量子力学的普及。它带来的反直觉认知,即生死共存的故事,让量子力学走进了公众的视野。尽管实验本质上荒谬,但其科普价值远超科学价值,使量子力学获得了世界的关注。在哥本哈根学派之外,尚无其他解释能更好地阐述量子运动状态。
双缝干涉实验则是另一个令人费解的量子现象。从最初的杨氏双缝实验证实光的波动性,到后续科学家对实验的改良,双缝干涉实验变得越来越复杂,结果也越来越令人困惑。单电子双缝干涉实验首次揭示了粒子的波粒二象性,打破了人们的传统认知。而延迟选择实验和擦除实验则进一步表明,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。在测量过程中,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。
关于双缝干涉实验和量子力学的解释,哥本哈根学派给出了官方解释。然而,许多人仍感到不安,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。事实上,这与科学事实相去甚远。目前,除了高维理论外,科学界尚无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,我们仍停留在应用层面,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。”