深度長文：“薛定諤的貓”，一只“既死又活”的貓（建議收藏）

薛定諤的貓，很多人都聽說過，是量子力學發展史上一個著名的思想實驗，是由物理學界大佬薛定諤提出來的。薛定諤的本意是想通過一只“既死又活”的貓，質疑諷刺以玻爾為首的“哥本哈根”詮釋，沒想到結果事與愿違，這只貓最后不但沒有讓哥本哈根詮釋銷聲匿跡，反而讓量子力學名聲大噪，最終哥本哈根詮釋得到了主流科學界的認可。

那么，薛定諤的貓到底是怎么一只貓呢？

其實，薛定諤的貓只是一個思想實驗，既然是思想實驗，就意味著我們只能去想象，而無法在現實中親自做這樣的實驗。為什么會這樣呢？簡單了解一下實驗過程就明白了。

實驗道具很簡單，一個密封的箱子，一只貓，一個鐵錘，一個開關，一個毒氣瓶，還有放射性元素。

如果放射性元素發生了衰變，就會觸發開關，開關打開之后，鐵錘就會落下，砸碎毒氣瓶，釋放出毒氣，然后貓就被毒死了。

反之，如果放射性元素沒有發生衰變，貓就不會被毒死。

而根據量子力學中的疊加態原理，我們無法確定放射性元素是否發生了衰變，準確來講，放射性元素一直處于衰變與沒有衰變的疊加態，衰變與不衰變的概率都是50%。

既然這樣，那么開關就處于“開和關”的疊加態，到最后，那只貓自然也會處于“生和死”的疊加態。

按照量子力學不確定性詮釋，在我們沒有觀測時，貓一直處于生死的疊加態，注意不是“生或者死”，而是同時處于“生和死”的狀態。而當我們想看看“生死疊加態”到底是一種怎樣的狀態時，貓就會從“生和死”的疊加態立刻坍縮為“生或者死”的經典確定狀態。

說白了，也就是我們的觀測行為導致了貓的狀態發生了“波函數”坍縮，從“生和死”各50%的概率，坍縮為“要么生，要么死”的100%確定結果。

當然，我們都明白，現實世界中，不可能存在一只“既死又活”的貓。既然不存在，反推過去，也就說明了量子疊加態是不存在的，起碼是不完備的。

而薛定諤就是想通過這樣的方式質疑量子力學不確定性和疊加態原理，質疑哥本哈根詮釋。

薛定諤是量子力學的奠基人之一，他為什么要質疑哥本哈根詮釋下的不確定性呢？

薛定諤具有深厚的數學功底，尤其非常擅長微積分，憑借多年的努力，他在1926年提出了著名的“薛定諤方程”，這個方程本身并不復雜，但并不太容易理解。其實不理解沒有關系，只需要明白薛定諤方程在量子力學中的地位就可以了。

薛定諤方程在量子世界的地位，就相當于牛頓運動定律在宏觀世界的地位，這下應該明白了吧！可見薛定諤方程有多偉大，它能準確解釋氫原子結構。

但有一個遺憾的地方，薛定諤本人一直無法解釋方程中波函數的具體物理含義。我們都知道，任何數學公式最終都要服務于人類的，這就要求數學公式必須有具體的物理意義，否則就失去了現實意義，也就不是一個完備的理論。

不久之后，德國物理學家玻恩給出了波函數的具體物理意義。玻恩認為，所謂的波函數其實只是一種概率波，這種概率波只能計算微觀粒子在某個位置出現的概率，而觀測也只能得到某種結果的概率，并不能保證一定會得到某種結果。

正是憑借上述的概率波詮釋，玻恩獲得了1954年的諾貝爾物理學獎。

按說，薛定諤應該感謝玻恩才對，畢竟玻恩替薛定諤詮釋了波函數的具體物理意義。但實際上說起來有點諷刺的味道。玻恩是哥本哈根學派的代表人物之一，他提出的概率波詮釋屬于“哥本哈根詮釋”，而薛定諤和愛因斯坦等物理學界大佬都屬于“決定論派”，也就是經典物理學派，與哥本哈根詮釋是完全對立的。

所以，薛定諤對于玻恩的概率波詮釋不但沒有任何感謝，反而非常憤慨，讓他非常不滿。

雖然薛定諤和愛因斯坦都是量子力學的奠基人之一，為量子力學的發展起到了很大的推動作用，兩人其實也不反對量子力學，反對的只是哥本哈根詮釋。

也正因為如此，愛因斯坦和哥本哈根詮釋的代表人物之一玻爾，進行了三次大辯論，但最終還是愛因斯坦敗下陣來。

不過薛定諤對于這樣的結果并不服氣，在愛因斯坦去世之后，薛定諤終于放出了一個“大招”：也就是薛定諤的貓，再次向玻爾等哥本哈根學派發起挑戰。

剛才說了，薛定諤的本意其實很明顯，就是想通過“薛定諤的貓”這個讓我們看起來非常不靠譜的實驗，來質疑諷刺哥本哈根詮釋，表達自己的不滿。不過薛定諤本人也無法給出很好的解釋。

愛因斯坦和玻爾爭論的焦點很明顯，不僅僅涉及科學，甚至還有點哲學的味道：我們所在的世界到底由什么支配？是決定論還是概率論？

概率論剛才說過了，什么是決定論呢？說白了，我們的世界是確定的，可描述的，也是可預測的。決定論也叫實在論或者定域論，表明我們的世界是真實客觀存在的，這種客觀存在性不會受到任何觀測行為的影響。

看出來了吧，愛因斯坦和玻爾的爭論已經超出了科學范疇，帶給了我們哲學上的思考，所以至今也沒有一個明確的讓人信服的答案。

說了這么多，有一個關鍵問題還沒解釋：到底什么是哥本哈根詮釋，居然讓愛因斯坦和薛定諤等人如此難以接受？

具體來講，哥本哈根詮釋包含了以下內容。

第一，玻恩對于波函數的物理意義描述，也就是概率波詮釋，剛才已經說過了。

第二，玻爾提出的互補原理。何為互補原理？某些物理對象看起來擁有矛盾的多重屬性，原則上我們并不能用同一種方法同時看到這多種屬性，只能用不同的方法觀察不同的屬性。

看起來有些繞嘴。可以這樣通俗理解：比如說，光具有波粒二象性，這兩種性質看起來是矛盾的，其實相互矛盾的波動性和粒子性是互補的，兩者同時存在，互為補充，我們無法做到在驗證一種特性的同時保證另一個特性不受到干擾或破壞。按照互補原理，自然界的物質就性質來說，既不是粒子也不是波，為突出兩種性質中的一種性質而進行的實驗或測量，只能犧牲另一種性質。

第三，海森堡提出的不確定性原理，也就是“測不準原理”。該原理認為，我們不可能同時測量出微觀粒子的位置和速度，位置越確定，速度就越不確定。反之，速度越確定，位置就越不確定。位置和速度的不確定性的乘積必須不小于一個常數。

第四，疊加態原理，實際上是在希爾伯特空間中構造一個形式上很像波函數的東西。通俗理解就是波函數的疊加，就像兩個波處于疊加態一樣。

第五，波函數坍縮。剛才也講了。在測量之前，實際上微觀物體是不存在的，是非常模糊的，以非常模糊的概率波形式存在，只有實施了觀測之后，才會從模糊的概率波形態坍縮為確定狀態。

看了以上哥本哈根詮釋，是不是很頭大？也難怪薛定諤和愛因斯坦等物理學界大佬堅決反對哥本哈根詮釋，他們也很頭大。

愛因斯坦認為量子力學一定是不完備的，一定還存在著某種隱變量沒有發現，才讓量子力學顯得如此詭異，一旦發現了隱變量，就可以用經典物理的手段詮釋量子力學。

但是愛因斯坦始終沒有找到隱變量到底是什么。最關鍵的是，雖然哥本哈根詮釋看起來讓人頭大，違反我們的直覺，但哥本哈根詮釋推導出來的結論與實驗結果完美吻合，在這種情況下，人們沒有理由不接受哥本哈根詮釋，至今也沒有其他理論能比“哥本哈根詮釋”解釋的更好。

哥本哈根詮釋不僅有實驗支撐，還有理論上的支持，比如說著名的貝爾不等式，它是一個有關是否存在完備局域隱變量理論的不等式。在經典物理學中，此一不等式成立。在量子物理學中，此一不等式不成立，即不存在這樣的理論。實驗表明貝爾不等式不成立，說明不存在關于局域隱變量的物理理論可以復制量子力學的每一個預測，說白了，哥本哈根詮釋是站得住腳的。

當然，對于薛定諤的貓這個思想實驗，還有其他詮釋，比如說退相干理論，還有多世界詮釋等。

何為“退相干”？說白了就是“失去相干性”。一個宏觀物體必定與其外部環境相互作用，即使組成環境的單個微粒很小，與宏觀物理碰撞時能量交換可以忽略不計，環境也可以記錄宏觀物體運動信息，從而與宏觀物體形成量子糾纏，發生量子退相干。

簡單理解就是：開放量子系統的量子相干性會因為與外在環境發生量子糾纏而隨著時間逐漸喪失。貓所在的密封的箱子并不能保證與外部環境完全隔絕，而任何微小的擾動都會導致放射性元素發生“波函數坍縮”，甚至貓自身的觀測行為也會導致波函數坍縮。所以根本不用等科學家去觀測，貓的狀態在一瞬間就確定下來了。

還有多世界詮釋更匪夷所思。講的是，在我們觀測貓的一瞬間，宇宙會發生分裂，分裂出平行宇宙。在我們的宇宙只能看到活著的或者死的貓。如果看到的貓是活的，并不代表不存在死貓，只是死貓會出現在另一個宇宙。也就是說，任何可能性都會出現，只是出現在不同的宇宙罷了。

總結

薛定諤的貓這個思想實驗，本來可以看成薛定諤等物理學界大佬的一個賭氣或者玩笑話，相信薛定諤當時也不會太較真，沒有把這個思想實驗當回事。沒想到的是，這個思想實驗竟然開啟了科學家們把量子世界的量子特性引入到宏觀世界的設想和探索。

而在2005年，美國科學家就曾成功讓6個鈹離子實現了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態，也被戲稱為“薛定諤貓態”。雖然只是6個鈹離子，但意義重大，說明疊加態確實存在，甚至能在宏觀世界存在。

只不過我們所在的宏觀世界由于質量太大，同時還有各種無法避免的干擾，量子世界里的疊加態很難體現出來。如果未來人類科技足夠發達，是否能夠做到讓足夠大的宏觀物體，比如說讓我們人類實現“疊加態”呢？

如果可以的話，或許未來的人類就有機會實現“生死的疊加態”，意味著永生？果真如此的話，這也太恐怖太不可思議了！