路幽幽稍微整理了一下思路,想着怎麼跟這個人傻錢多的比爾·劉易斯解釋。
薛定諤的貓是個非常有名的思想實驗,來自量子力學中的哥本哈根解釋,對路幽幽源心葉她們而言這是個上古時期的概念了,但對於外行人來說,這還是個非常新鮮且神秘的概念。不學物理的人動輒相對論量子力學,以爲它們還是前沿科學,壓根就不知道這些東西實際上早就已經是陳年舊賬了。
至於路幽幽和源心葉所研究的量子場論,是基於量子力學之上,後來發展出的一個領域,和量子力學本身有一定區別。
“薛定諤的貓……”路幽幽想了想,“劉易斯先生,您知道薛定諤是誰吧?”
比爾·劉易斯一怔,“是個科學家。”
“然後呢?”女孩接着問。
“科學家。”
“然後呢?”
“科學家。”
路幽幽扶額。
這個比爾·劉易斯真的是大學物理學出身嗎?他不會把達爾文和達芬奇搞混吧?達爾文畫雞蛋達芬奇的進化論?
“您對量子力學瞭解多少?”路幽幽問。
“瞭解不多,略知一二。”劉易斯的態度很謙恭,“肯定比不上路小姐和源博士這樣的專業科學工作者。”
“量子力學是量子場論的基礎,量子力學當年由愛因斯坦,波爾等人創立,到如今已經發展了很多年。通俗地來說,量子力學的核心是它的波函數,因爲波粒二象性,粒子的狀態可以由波函數來描述,而描述波函數運動的方程,就是薛定諤方程。”
“我記得波粒二象性的意思是……”
“學術界很早就意識到光是一種電磁波,也就是說,光既是粒子,也是波,但是到了二十世紀二十年代,法國物理學家德布羅意提出,不僅僅是光子,任何微觀粒子,諸如電子,質子,中子等等實體的基本粒子,同樣也會表現出概率波的特徵,這就是波粒二象性。”路幽幽解釋,“一言以蔽之,就是世間萬物,皆可爲波。”
劉易斯笑了笑,指了指自己,“我也是波嗎?”
路幽幽挑了挑眉,“可以這麼說。”
劉易斯上下打量自己,稍有些吃驚,他覺得自己明明是個實體,實實在在存在於世上的人,不知爲何在物理學家眼裡就變成了波。
“薛定諤的貓就是這個時候被人們提出來的,實際上,別人提出‘薛定諤的貓’這個概念,是爲了反對量子力學,或者說反對哥本哈根解釋。”路幽幽接着說。
“我們知道,量子力學的基礎定理之一,就是海森堡的不確定性原理,這個理論指出,你不可能同時知道一個粒子的位置和速度,也就是說,如果你測量一個粒子的速度,那麼你就測不準它的位置,如果你測量了它的位置,那麼你就測不準速度。”
“海森堡的不確定原理帶來了一個很大的問題,它從根本上揭示了……我們這個世界從基礎上就是不確定的,是基於概率的,一切都是隨機的。”路幽幽說,“這也就意味着,在我們的宇宙中,隨機纔是主流,確定的事少之又少……這個想法遭到了很多人的反對,其中就包括愛因斯坦,愛因斯坦說,上帝不擲骰子!”
比爾·劉易斯若有所思地點了點頭。
“哥本哈根詮釋的核心思想,就是把‘觀察者’也加進了整個粒子運動的系統中,但在傳統的古典物理學中,觀察者與被觀察者是分開的,是互不干擾的,比如說我手上有個盒子,我現在把一個蘋果放進盒子裡。”路幽幽比劃着,“無論你看它還是不看它,這個蘋果都會在這裡,不會有任何變化,你的觀測不會影響到這個蘋果的狀態,就算你盯着樓下那輛車看一整天,那輛車也不會突然消失。”
劉易斯點點頭。
“但在量子力學當中,情況就發生了變化。”路幽幽說,“我之前說過,粒子具有波粒二象性,它既是波,也是粒子,在微觀狀態下,這些基本粒子以波的形式存在,但如果你悄悄地朝它們瞄了一眼……它們就會立即變成實體粒子。”
“我瞄了一眼,它們就會變化?”
劉易斯的思路有些跟不上了,這個結果非常反直覺。
“是的,它們的波函數會瞬間坍縮,就因爲你看了一眼。”路幽幽點了點頭,“這就是所謂的哥本哈根詮釋,觀察會對整個粒子運動體系造成影響,你不再是局外人,而是整個系統中的一員。
那麼我現在有這樣一個裝置,一個不透明的紙盒子,紙盒子裡關着一隻貓。”
“紙盒子裡裝着一個開關,這個開關控制着一個毒藥瓶子,開關的觸發裝置是一個原子核,如果原子核發生衰變,那麼開關就會打開毒藥瓶,放出毒藥,毒死這隻貓。”路幽幽接着說,“我們永遠無法確定單個的原子核何時衰變,因爲這是完全隨機的,它可能在下一秒就衰變,也有可能一年之後再衰變,那麼請問,此時此刻,這隻貓究竟是死,還是活呢?”
劉易斯思索片刻,“可能是死的,也有可能是活的吧?”
一旁的源心葉笑了一下,“爲什麼?”
“顯而易見啊,那個原子核的衰變不是完全隨機的嗎?它有可能衰變了,也有可能沒衰變,如果衰變了,盒子裡就是隻死貓,如果沒衰變,那就是隻活貓。”劉易斯解釋,“這麼想沒問題吧?”
“劉易斯先生認爲,這隻貓,要麼是死的,要麼是活的。”源心葉問,“對嗎?”
“當然。”劉易斯點點頭。
“這是正常的想法,但它是經典物理。”路幽幽輕輕出了一口氣,“在量子力學的框架下,這隻貓是既死又活的。”
“既死又活?”
“沒錯,這隻貓並非要麼死,要麼活,而是既死又活的,它身上有兩種狀態疊加——一個是死,一個是活。”路幽幽解釋,“它同時是一隻死貓和活貓。”
劉易斯糊塗了。
“因爲那個原子核是隨機衰變的,它有可能衰變,也有可能不衰變,但在量子力學體系當中,它處於衰變和不衰變的兩種狀態疊加之下,那麼開關就是處於既開又關的狀態下,毒藥也是既放了出來,又沒放出來的狀態,所以貓就是既死又活的。”源心葉嘿嘿一笑,“這個不好理解嗎?”
比爾·劉易斯以求助的目光看向麥斯威爾,後者攤了攤手,量子力學是基礎中的基礎,他也沒法講得更簡單了。
“那我如果打開盒子,能看到一隻既死又活的貓?”
劉易斯沒法理解什麼叫“既死又活”,難道是上一秒活蹦亂跳,下一秒一命嗚呼?然後再下一秒繼續活蹦亂跳?
“不,你打開盒子,只能看到一隻死貓,或者一隻活貓。”路幽幽搖頭,“你是觀察者,你在打開盒子施加觀察的一瞬間,原子核上疊加的波函數瞬間坍縮,要麼坍縮在衰變上,要麼坍縮在不衰變上,同樣的,貓的波函數也會瞬間坍縮,要麼坍縮在死上,要麼坍縮在活上……也就是說,你施加觀察的那一刻,貓的生死纔會被決定。”
“這就是薛定諤的貓。”