什麼是薛定諤的貓？_風聞

來源：微信公號“李永樂老師”

薛定諤的貓是科學史上最著名的思想實驗，圍繞它的爭論直到現在也沒有結束。這是一個把量子力學應用到宏觀世界時出現的神奇悖論。

疊加態

我們知道：量子的世界非常神奇，在量子的世界裏，確定性被概率取代了，無論是粒子的位置、能量還是速度，都處於一種不確定的狀態之中。

例如：氫原子是由原子核和核外的一個電子組成的，電子會圍繞原子核高速運動。最初波爾在解釋氫原子時，認為氫原子的電子存在不同的軌道。但是他發現這種理論只對氫原子有效，稍微複雜一點的原子都無法解釋。後來人們終於發現：電子並不存在確定的軌道，他的空間位置是隨機的，於是人們畫出了電子雲，表示氫原子中的電子出現在各個不同位置的概率。

在德布羅意提出物質波的概念之後，波恩通過概率説解釋了物質波和波函數的含義：波函數表示量子系統中某個事件的概率。

比如波函數ψ(r,t)表示一個隨着位置r和時間t演化的波函數，那麼|ψ(r,t)|的平方就表示在位置r和時刻t找到粒子的概率。波爾等人認為這種觀點是正確的，人們把這種對於波函數和量子力學基本問題的解釋稱為哥本哈根詮釋。

更為神奇的是：因為量子系統的概率詮釋，我們在沒有進行觀測時，不能確定一個例子的位置和速度等信息，因此量子系統就處於一種疊加態。例如粒子既可能在A處，也可能在B處，它就處於A和B兩處的疊加態；一個原子核可能衰變也可能沒有衰變，它就出於衰變和未衰變的疊加態。

我們要知道這個粒子到底處於A還是處於B，或者要知道一個原子核到底衰變了沒有，就需要進行觀測。我們可能發現粒子在A處，也可能發現粒子在B處，我們稱為疊加態坍塌成了本徵態。似乎，我們的觀測是會影響結果的，因為在觀測之前， 粒子究竟在哪裏是不確定的，而觀測之後，粒子立刻選擇了A位置或B位置，這個過程就是在我們觀測的一瞬間發生的。而且從此之後，粒子的狀態就確定了。

這種觀點與宏觀世界是相違背的。比如我們到酒吧裏去喝酒，服務員為我們倒了一杯酒，可能是啤酒，也可能是葡萄酒，我們可以通過品嚐知道這杯酒是什麼，然而，就算我們不去品嚐，我們也知道這杯酒一定要麼是啤酒要麼是葡萄酒，雖然我們不知道這杯酒是什麼，但是服務員知道。就算服務員也不知道，我們何時品嚐，或者誰來品嚐，這杯酒的測量結果都不會有不同。因此宏觀世界不是處於疊加態，而是處於一個個本徵態的。

但是量子世界裏的酒卻不是這樣。這杯酒處於啤酒和葡萄酒的疊加態，既有可能是啤酒，也有可能是葡萄酒。現在不光世界上任何一個人都不知道這杯酒是什麼，而且在不同的時刻，不同的人來品嚐這杯酒，結果都可能不同。

薛定諤的貓

由於量子力學中有太多與常識相違背的結論，所以許多人對量子力學產生了懷疑。許多人認為量子力學是一個不完備的理論，它只是一個更深刻的物理結論的某一個側面。這其中就包含着量子力學的許多創立者，如愛因斯坦説“上帝不擲骰子”，薛定諤也提出了薛定諤的貓。

奧地利物理學家埃爾温·薛定諤是量子力學的奠基人之一。他在1926年提出了薛定諤方程，用以描述量子態的波函數隨着時間的演化，並獲得諾貝爾獎。

但是，他卻認為量子力學並不是一個完備的理論。尤其是：在宏觀世界中會有許多與量子力學相違背的事實。他為了把這個事實描述的更加清晰，就提出了薛定諤的貓這個最讓物理學家們頭疼的思想實驗。

把一隻貓關在一個封閉的鐵容器裏面，並放入少量的放射性物質。這些物質在一小時內有50%的概率發生衰變，還有50%的概率不發生衰變。如果物質發生了衰變，旁邊的探測器會探測到，這樣會通過一個裝置啓動一個榔頭。榔頭會打碎一個裝有有毒物質的瓶子。瓶子裏的有毒物質擴散到容器裏，就會把貓毒死。如果物質沒有衰變，那麼有毒物質不會擴散，貓就活得好好的。

由於量子系統處於疊加態，因此在人們沒有打開盒子看的時候，這些放射性物質處於衰變和沒有衰變的疊加態之中，這就使得這隻貓處於一種既活又死的疊加態之中。只有打開盒子進行觀測，在這一瞬間疊加態會瞬間坍塌成本徵態，這隻貓就從一個既死又活的狀態立刻變為活的或者死的貓。

​有人可能會認為：不打開盒子也沒關係，我們可以在盒子上安裝一個玻璃看着這隻貓啊。要知道：任何的觀測行為都會影響實驗。比如安裝玻璃我們能夠看到內部，這是因為有光射入了盒子再反射出來，這些光子就會影響量子系統，所以不能完成實驗。貓要處於真正的疊加態之中，必須排除任何外界的干擾，因此人們也無法觀測。

這隻貓的出現讓物理學家們抓狂了。人們差一點就相信了量子力學和哥本哈根詮釋，但這個美好的願望被一隻貓打擊的粉碎。

薛定諤通過這個實驗向世界闡述：量子力學只是某個更深刻物理原理的側面。

“有人認為量子力學是一幅雲霧的照片，但它其實可能是一張搖晃或失焦的圖片。”

平行世界

那麼，薛定諤的貓究竟該如何解釋呢？現在的科學界對此還沒有統一的觀點。有些科學家甚至提出了許多神奇的理論來解釋它。

1957年，科學家休·艾弗雷特提出了著名的“多世界詮釋”。他認為：在進行薛定諤的貓的實驗時，箱子裏原本就有兩個世界。這兩個世界在箱子外的情況完全相同，只是一個世界裏箱子裏有個死貓，而另一個世界裏箱子裏有一隻活貓，只不過這兩個世界是糾纏在一起的。當我們打開箱子進行觀測時，這兩個世界就會發生分離，從此之後各自變為一個新的世界，而且彼此毫無影響。

這種想法多麼的神奇！科幻作者們為此欣喜若狂，一大批科幻小説和電影都通過這個理論演繹平行世界的精彩故事，比如《彗星來的那一夜》就是部不錯的電影。

可是這種想法又如此不可思議，讓大部分科學家不願承認它。薛定諤的貓至今仍是一個無法完全理解的怪物。

量子力學究竟是不是完備理論？人們對它還存在很多爭論。著名的物理學家、諾貝爾獎獲得者、最幽默的物理學家費曼曾經説過：“我想我可以有把握地講，沒有人懂量子力學！”