Q3
量子力學與薛丁格的貓:貓為什麼既活著又死著?
A3:量子力學是一門描述微小世界中奇妙現象的科學,比如:電子和光子等極小粒子的行為。這是一個1935年由科學家薛丁格提出的「假想實驗」,(放心,這個「實驗」並沒有任何一隻貓貓受到傷害)而主要是用來解釋量子力學中一個讓人頭疼的概念:疊加態和測量。
薛丁格的貓(Schrödinger’s cat)是什麼實驗?
讓我們想像一下:
假如我們把一隻貓放進一個密閉的箱子裡,箱子內還有一個會隨機釋放毒氣的裝置,這個裝置會因為一個量子粒子的變化而決定是否釋放毒氣,但這個變化只有在我們「測量」的瞬間才會顯現出來。在我們打開盒子之前,我們根本不知道這隻貓是活的還是死的。所以在量子力學的角度來看,在盒子沒打開之前,貓處於一個「活著」和「死了」的疊加狀態,就好像既活著又死著。
為什麼這個實驗這麼奇怪?
在我們的日常生活中,貓不是活著就是死了,不可能同時處於兩種狀態。可是,在微小的量子世界中,粒子卻能夠同時處於不同的狀態,直到我們進行測量,才會「選擇」一個最終的結果。這就是量子力學中的「測量問題」:到底測量是如何影響粒子的狀態?
如何解釋這個現象?
薛丁格的貓實驗指出,對於一隻貓這麼大的物體來說,疊加態並不適用。這是因為量子疊加態非常脆弱,在我們能觀察到的巨觀世界中,隨著粒子的增加,這些疊加態會迅速消失,這個過程稱為「去相干性」(decoherence)。去相干性表示當系統變大,疊加態會受到干擾,讓波的特性消失,剩下的是我們熟悉的「粒子」特性。
薛丁格的貓實驗帶來的啟示
這個實驗讓科學家思考,量子力學的「疊加態」概念應該怎麼解釋?對於微觀粒子來說,疊加態和測量確實能用量子理論來解釋,但當系統變大、變複雜(例如實驗的貓貓),這些量子現象會逐漸消失。 也讓我們了解到量子世界和我們熟悉的世界之間的界線,並且讓科學家更深入研究如何讓量子理論與我們日常生活中的規則相符。這樣看來,薛丁格的貓其實是想告訴我們,量子力學在解釋世界方面有一些有趣但複雜的限制,我們或許不會真的在生活中看到「既活又死」的貓,但這個假想實驗仍然讓人對量子世界的奧秘感到好奇及其無限的可能性!
✏️ 請看知識地圖這一篇:進一步了解 量子疊加(Quantum superposition)