量子猫的奇妙冒险:双缝实验中的悖论

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你是否曾想过,如果将一只猫送到一个带有两个孔的墙前,会发生什么?这并非疯狂的想法,而是著名的双缝实验的一种变体。在这个实验中,波通过两个缝隙时会产生干涉,造成墙上的某些地方亮,某些地方暗。而令人惊讶的是,即使是量子粒子,也会以波动的方式表现,仿佛它们是猫一样。

想象一下,如果你向这两个缝隙发送一群猫,它们的累积会在墙上形成与光波相同的干涉模式。现在,假设你增加了一个竞争性的双缝实验,另一个猫与第一个装置共享一个缝隙。当第二只猫反复穿过这两个缝隙时,它会以类似的干涉模式撞击墙面。

但有趣的事情发生了:当两只猫同时向它们的缝隙进发时,它们会在中间的缝隙相遇。或许缝隙太小,无法让两只猫同时通过,或者更有趣的是,其中一只猫可能是由反物质构成的,如果两只猫同时通过中间的缝隙,它们会相互湮灭,永远无法到达墙面。

在这种情境下,两只猫穿过缝隙的方式形成了一种量子叠加状态:上面的猫通过上面和中间的缝隙,下面的猫通过下面和中间的缝隙,但叠加状态中不存在“两只猫都在中间”的情况,因为它们无法同时通过中间的缝隙。

由于叠加状态中缺少了“两只猫都在中间”的选项,干涉模式发生了变化,猫现在可能出现在之前“猫暗”的地方。这并不奇怪,因为不同的波量通过缝隙会导致不同的干涉模式。

然而,当涉及到粒子时,情况就变得奇怪了。让我们回顾一下,单独的猫之所以出现在“猫暗”的地方,是因为猫的波-粒子叠加状态同时通过两个缝隙并与自己干涉,导致出现在那里的概率为零。所以,如果下面的猫确实出现在那里,它必须没有与自己对撞,也就是说它没有通过两个缝隙,那么肯定有东西阻挡了一个缝隙——那就是另一只猫。

如果上面的猫出现在之前没有猫的地方,那么它也一定没有通过两个缝隙——下面的猫必须阻挡了中间的缝隙。但问题在于,当实际进行这个实验时,有时两只猫都会出现在之前没有猫的地方。我们知道它们不可能都通过了中间的缝隙,因为它们会相互湮灭——所以每只猫都必须被另一只猫阻挡,同时通过了中间的缝隙。

这种情况似乎不可能,这就是为什么这个情境被称为悖论。但如果你相信量子粒子可以处于叠加状态(这经常发生,并且已经通过实验得到了极好的验证),那么这并不令人惊讶。

正如我们之前所说,两只猫以“上中”加上“中下”加上“上下”的叠加状态穿过缝隙,这包括了两个看似必要的“阻挡”中间缝隙的情况,正是这种叠加状态导致了干涉模式的变化,使得两只猫有可能同时出现在之前“猫暗”的地方。

如果你觉得这一切都很奇怪——是的,确实如此!但值得记住的是,奇怪并不等同于悖论。量子猫/反物质猫双重双缝实验完全符合量子力学的预测和实验结果。有时候,宇宙就是这样奇怪!

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