薛定諤的貓到底是什么意思？如何詮釋那只“既死又活”的貓？

薛定諤的貓是奧地利著名物理學家薛定諤于1935年提出的一個思想實驗，是把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界，試圖從宏觀尺度闡述微觀尺度的量子疊加原理的問題。

實驗過程如下：

把一只貓放進一個封閉不透明的箱子中，箱子里面放上一個放射性原子（衰變概率為50%），一個粒子探測裝置，一瓶劇毒物質，一把錘子。如果放射性物質發生衰變，粒子探測器就能接收到衰變放射出的粒子，然后發出信號讓錘子打碎裝著劇毒物質的瓶子，這樣貓就必死無疑，如果粒子不衰變，貓就會活著。也就是說貓的狀態由粒子是否衰變決定的。

根據經典物理學，在盒子里必將發生這兩個結果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道里面的結果。在量子的世界里，當盒子處于關閉狀態，整個系統則一直保持不確定性的波態，即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開后，外部觀測者觀測時，物質以粒子形式表現后才能確定。

薛定諤提出此思想實驗的初衷并不是要證明什么，而是表達對波恩統計解釋的不滿，并對哥本哈根詮釋進行諷刺，只不過無心插柳柳成蔭......薛定諤用貓實驗將微觀和宏觀聯系在了一起，把量子行為拓展到了宏觀世界，以此求證觀測介入時量子的存在形式。但是，此實驗成功地使問題從討論微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理，客觀規律不以人的意志為轉移，貓既活又死違背了宏觀世界的邏輯思維。

作為物理學四大神獸之一，薛定諤的貓的誕生備受爭議，也是目前唯一幸存的一只神獸。隨著量子物理學的發展，薛定諤的貓還延伸出了平行宇宙等物理問題和哲學爭議。各類學者不斷努力試圖做出宏觀下薛定諤貓的實驗，卻無法看到怎樣去檢測是否存在多重宇宙，只能證明量子力學的隨機并不是決定論。

以上是簡單的介紹，如果需要進一步詮釋，需要涉及量子力學的知識。這里需要引入一個概念——疊加態

（一）疊加態

量子世界區別于宏觀世界的顯著特點是，在量子的世界里，確定性被不確定性（概率）取代了，無論是粒子的位置、能量還是速度，都處于一種不確定的狀態之中。

我們中學就已經學過『電子云』理論，它是原子結構模型發展研究到今天的產物。以氫原子為例進行簡單詮釋：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，稍微復雜一點的原子都無法解釋。后來的研究表明：電子并不存在確定的軌道，他的空間位置是隨機的，于是人們畫出了電子云，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后，波恩通過概率說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。

例如：波函數

表示一個隨著位置r和時間t演化的波函數，那么

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，人們把這種對于波函數和量子力學基本問題的解釋稱為哥本哈根詮釋。

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，因此量子系統就處于一種『疊加態』。例如粒子既可能在A處，也可能在B處，它就處于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，它就處于衰變和未衰變的疊加態。

這個粒子到底處于A還是處于B，或者原子核到底有沒有衰變，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，一旦確定了，則該粒子由疊加態坍塌成了『本征態』。似乎，我們的觀測是會影響結果的，因為在觀測之前， 粒子究竟在哪里是不確定的，而觀測之后，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。而且從此之后，粒子的狀態就確定了。之所以比較難以理解，是因為我們看到的宏觀世界不是疊加態，而是處于本征態，我們的思維習慣了這種宏觀層面上的理解。

（二）薛定諤的貓的誕生

由于量子力學中有太多與我們的常識認知相違背的結論，所以許多科學家對量子力學產生了懷疑，這也導致一些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，包括量子力學的許多創立者，如愛因斯坦說“上帝不擲骰子”，薛定諤也提出了薛定諤的貓。

薛定諤認為量子力學并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。由于量子系統處于疊加態，因此在人們沒有打開盒子看的時候，這些放射性物質處于衰變和沒有衰變的疊加態之中，這就使得這只貓處于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征態，這只貓就從一個既死又活的狀態立刻變為活的或者死的貓。

有人會這樣想，既然如此，就把盒子換成個透明的，這樣不需要打開盒子也能『悄悄』觀察貓的狀態。但需要指出的是，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。貓要處于真正的疊加態之中，必須排除任何外界的干擾，因此人們也無法觀測。（關于觀測影響實驗結果的著名實驗當屬『雙縫干涉實驗』，至今仍未有合理的解釋。）

這只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，但這個美好的愿望被一只貓打擊的粉碎。

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。

（三）平行宇宙學說

對于薛定諤的貓這一問題，現在的物理學界還沒有得到有效的解決方案，所以也誕生了一系列假說，比較非常著名的當屬“多世界詮釋”（平行宇宙（parallel universes））。

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，箱子里原本就有兩個世界。這兩個世界在箱子外的情況完全相同，只是一個世界里箱子里有個死貓，而另一個世界里箱子里有一只活貓，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，從此之后各自變為一個新的世界，而且彼此毫無影響。

雖然科幻片里很多運用這一假說演繹了各種奇幻燒腦的故事，但目前學術界普遍不認同此觀點。What a pity！

除了多世界詮釋，目前的量子力學詮釋主要還包括：退相干詮釋（記得電影《彗星來的那一夜》（英文名《Coherence》）里提到了這種假設）、坍縮詮釋（又分客觀性坍縮詮釋和傳統的哥本哈根詮釋）、隱變量理論（主要是非局域隱變量理論例如德布羅意-玻姆理論）等等。

補充： （1）奧地利物理學家埃爾溫·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著時間的演化，并獲得諾貝爾獎。

（2）物理學四大神獸分別為：芝諾的龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛定諤的貓。

芝諾的龜代表的是是否無限可分的問題，亦成為芝諾悖論。芝諾認為，一個人從A點走到B點，要先走完路程的1/2，再走完剩下總路程的1/2，再走完剩下的1/2……如此循環下去，永遠不能到終點。這個問題流傳了2000多年，直到物理學家牛頓和數學家萊布尼茨創造出微積分后，這只千年神獸才壽終正寢。

拉普拉斯獸代表的是神創論與絕對論的問題。據說它誕生于1814年，能通過牛頓的簡單公式輕易計算出宇宙中某個原子的過去和未來，還有畢達哥拉斯的“萬物皆數”理論作為支撐，一度認為拉普拉斯獸獸堅不可摧。然而相比起千年芝諾龜拉普拉斯獸還是短命了點，它在100多年后就被開爾文和海森堡用量子力學給打敗了。

麥克斯韋妖代表的是熱力學中第二類永動機的問題。這是麥克斯韋想象出來的一只妖怪。他的提出主要是為了攻破永動機，造出永生具有力量的機器，麥克斯韋妖能夠用極快的速度操控分子的運動，用最低限度減少過程中的能量消耗，從而達到不損耗能量也能夠獲取信息。但量子信息理論的誕生與發展，得以將麥克斯韋妖從熱力學第二定律的領土上驅逐出境。

薛定諤的貓代表的是微觀粒子不確定性與宏觀世界相矛盾的問題。這只超越生死的貓，至今仍活躍在量子力學的夾縫中。

（3）原子結構模型發展歷程：

道爾頓實心球模型（1803年）： 原子是一個堅硬的實心小球。

葡萄干蛋糕模型（棗糕模型/西瓜模型）（1904年）：由約瑟夫·約翰·湯姆生在發現電子的基礎上提出的，是第一個存在著亞原子結構的原子模型。

盧瑟福行星模型（1911年）：原子的大部分體積是空的，電子按照一定軌道圍繞著一個帶正電荷的很小的原子核運轉。

玻爾量子化模型（1913年）：電子不是隨意占據在原子核的周圍，而是在固定的層面上運動，當電子從一個層面躍遷到另一個層面時，原子便吸收或釋放能量。 為了解釋氫原子線狀光譜這一事實，玻爾在行星模型的基礎上提出了核外電子分層排布的原子結構模型。

電子云模型（現代模型）：電子云模型是用統計學的方法對核外電子空間分布概率的形象描繪。用小黑點的疏密程度來表示空間各電子出現概率的大小。

電子在原子核外很小的空間內作高速運動，其運動規律跟一般物體不同，它沒有明確的軌道。根據量子力學中的測不準原理（1926年海森堡提出，亦稱為不確定性原理），我們不可能同時準確地測定出電子在某一時刻所處的位置和運動速度，也不能描畫出它的運動軌跡。因此，人們常用一種能夠表示電子在一定時間內在核外空間各處出現機會的模型來描述電子在核外的的運動。在這個模型里，某個點附近的密度表示電子在該處出現的機會的大小。密度大的地方，表明電子在核外空間單位體積內出現的機會多；反之，則表明電子出現的機會少。

（4）哥本哈根詮釋（Copenhagen interpretation）是量子力學的一種詮釋。根據哥本哈根詮釋，在量子力學里，量子系統的量子態，可以用波函數來描述，這是量子力學的一個關鍵特色，波函數是個數學函數，專門用來計算粒子在某位置或處于某種運動狀態的概率，測量的動作造成了波函數坍縮，原本的量子態概率地坍縮成一個測量所允許的量子態。哥本哈根詮釋主要包括以下幾個觀點：

一個量子系統的量子態可以用波函數來完全地表述。波函數代表一個觀察者對于量子系統所知道的全部信息。

按照玻恩定則，量子系統的描述是概率性的。一個事件的概率是波函數的絕對值平方。（馬克斯·玻恩）

不確定性原理闡明，在量子系統里，一個粒子的位置和動量無法同時被確定。（海森堡）

物質具有波粒二象性；根據互補原理，一個實驗可以展示出物質的粒子行為，或波動行為；但不能同時展示出兩種行為。（尼爾斯·玻爾)

測量儀器是經典儀器，只能測量經典性質，像位置，動量等等。

對應原理：大尺度宏觀系統的量子物理行為應該近似于經典行為。（尼爾斯·玻爾與海森堡)