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量子物理学规定,只要那里存在某些东西,它就能转化成一些别的什么——当然如此,但它不能凭空消失。因为量子物理学允许多种可能性同时发生,这些可能性就应该保持存在,即便你对它进行了观测之后。但事实并非如此。除了一个现实,其他所有的可能性都消失了。我们在自己周围再也见不到那些其他可能性。我们生活在一个日常经典世界,所有一切都基于量子规则,但这个世界却又与量子世界完全不同。
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所以问题就是:我们如何才能让量子效应出现在我们人类生活的尺度上,这样我们就能在对它们进行观测时亲眼看到塌缩——如果这种塌缩真的存在的话。这可能吗?如果我们能够看到这样的量子效应,我们预期将看到什么?
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一九三五年,在因量子物理学方面的研究获得诺贝尔奖的两年之后,奥地利物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schr.dinger)设计了一个将量子效应带入我们生活尺度的实验。实验里有一只猫和一只盒子。虽然这只是一个思想实验,但所有的科学家们自此之后都没有停止思考“那只猫到底是死的还是活的”这一问题。
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你再次重复他的实验。我希望你不要对可爱无辜喵喵叫的小猫有太深的感情:很有可能这只小猫会在这个实验中受到伤害。不管怎样,请记得我们在这里只是要让量子效应出现在宏观世界中。一些牺牲是不可避免的。
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说了这些声明之后,让我们开始吧。
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对于那些不知道猫是什么的人,一只猫就是一个有着四条腿,通常毛茸茸并长着一条尾巴的哺乳动物,生活在同我们一样尺度的现实之中。大多数人都喜欢爱抚它,但并不是所有人都如此。它们几乎什么颜色都有,不过据我所知,好像还没有绿色的。
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要做薛定谔的思想实验,你需要选定一只可爱的小猫,黑白色的,再找一只能够完美封闭的盒子,一旦关上,没有人能够从外面知道里面的情况。
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除了猫和盒子,你还需要找一种放射性材料,这种特殊材料,在你的实验过程中会有50%的机会产生射线。放射性材料很难被预测。根据量子规则,没有任何方式可以事先预测它会不会衰变并发出射线。只有概率。二分之一的可能性——对于你发现的材料来说。
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现在,你还需要再找到三个其他物体:一瓶装着致命毒药的管子,一把锤子和一个放射性探测器。
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接下来,你把所有东西联接在一起,一旦放射性探测器探测到放射性物质放出射线,锤子就会打破管子释放出毒药。如果你不真的把这些东西——锤子、放射性物质、毒药——和猫放进盒子并且封上盖子的话,就不会造成伤害。
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然后你就等着。
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然后呢?
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有50%的机会小猫被毒死了。一切都取决于放射性衰变。
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这是一个变态的实验,我同意。
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你绝对不要在家里重复它。
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现在,问题来了:那只猫死了吗?
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量子效应正在出现,如我们所期待的。后果是宏观的——大到足够让我们看见。
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但除非打开盒子,你无法知道放射性衰变发生了没有,因此你也没有办法知道管子有没有被打破,以及那只猫是死了还是活着。
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阳光之下并无新鲜事,你这样觉得?好吧,在一个量子世界,你应该时刻警惕,尽量不要依赖常识。或者绝对不要。在这里做任何推断,都需要按照量子世界的规矩。在真实生活中,你可以预料盒子中的猫死了或活着。
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但两种回答都可能出错。
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在量子世界,只要可能,就必然发生。你现在应该已经熟悉这个规则了。
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这里,放射性物质发生衰变和不发生衰变有着同样的概率,因此两者都发生了。就像一个粒子能够同时从金属柱子的左边和右边穿过一样,放射性衰变也同时发生了和没发生,只要没有人在看。我们前面已经说过,大多数时间,缘于各种不明确的原因,这种可能性的叠加不被我们注意到。它们从来没有发生在——或者到达——我们的尺度。然而,在我们这个特别的实验里,我们却通过设计让我们的眼睛能够看到:两种量子可能性(衰变发生或未发生)同时存在并且直接联系到一只猫戏剧性的死亡或存活之上。
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那么量子世界的规则怎么说?
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它们的说法是:衰变还是未衰变这一事件被直接联系到毒药和猫,只要盒子未被打开,这只猫既没有死去,也没有活着,而是同时存在。
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在你打开盒子之前,衰变同时处于发生了和未发生状态,因此毒药已经被释放,也尚未被释放。
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