深度长文：解读“薛定谔的猫”，一只“既死又活”的猫（5000字）

薛定谔的猫，物理学界“四大神兽”之一，其他三大神兽分别是：芝诺的龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖。而薛定谔的猫是由著名物理学家薛定谔在1935年提出来的思想实验。当时的物理学背景是这样的，两大物理学派正在为量子力学的本质争论不休，以爱因斯坦和薛定谔为首的经典物理学派，还有以玻尔，海森堡和玻恩等为首的哥本哈根学派。

薛定谔的猫这个思想实验正是在这种背景下诞生的，薛定谔提出这个思想实验的目的其实很简单，就是为了反驳并质疑哥本哈根学派关于量子力学的不确定性和叠加态诠释。

这个思想实验到底是怎么回事呢？其实也很简单。

把一只猫放到一个绝对密闭的箱子里，箱子里除了猫之外，还有一个放射性元素，该元素的衰变概率为50%，用量子力学描述就是处于“衰变与不衰变”的叠加态。同时箱子里还有一个开关，一把锤子和一个毒气瓶。

如果放射性元素发生了衰变，就会启动开关，锤子落下砸碎瓶子，瓶子就会释放出毒气，把猫毒死。如果没有衰变，开关就不会打开，自然就不会释放毒气，猫就不会被毒死。也就是说，猫的生死取决于放射性元素是否发生了衰变。

根据经典物理学诠释，无论如何，猫的最终状态都只能有一个，生或者死。在我们打开箱子的那一刻就会看到猫的最终状态。

不过按照量子力学的诠释，既然箱子处于绝对密闭状态，箱子里就是一个整体系统，放射性元素就处于一个不确定的波动状态，也就是叠加态，就像刚才所说的，处于“衰变与不衰变”的叠加态。

这里强调一下，按照哥本哈根学派的诠释，叠加态也是量子世界的基本特征，是真实存在的，说白了量子世界里的任何物体都会以波动的状态存在，我们无法确定微观粒子的确定状态，只能用概率去描述，用数学语言表述就是“波函数”。我们只能描述微观粒子在某个位置出现的概率。

那么，既然放射性元素处于“衰变与不衰变”的叠加态，那么猫的最终状态一定也是“生与死”的叠加态，而不是“生或者死”。也就是说，存在一只“既死又活”的猫。当我们试图观察这样一只猫到底是如何存在的时候，就需要打开箱子进行观察，而观察的一瞬间，猫就会从“既死又活”的叠加态坍缩为“要么死，要么活”的唯一状态，这就是所谓的“观测行为导致波函数坍缩”。

当然，我们都知道，现实中是不可能存在“既死又活”的猫的，这也是薛定谔本人想表达的思想。他就是想借助“既死又活”的猫这个荒唐的结论，表达对哥本哈根学派关于不确定性和叠加态的表述，对其进行质疑和讽刺。

不过，让薛定谔没有想到的是，他对哥本哈根学派的质疑最后竟然转变为“无心插柳柳成荫”的局面，薛定谔的猫这个思想实验不但没有引起更多人对量子力学的质疑，反而在更大范围内成功科普了量子力学的基本知识。同时该思想实验也把量子世界与宏观世界的状态联系在了一起，把量子行为推广到了宏观世界。

也就是说，既然量子世界真的存在不确定性，那么宏观世界里一定也会存在这种现象。但该如何解释“既死又活”的猫呢？逻辑上来讲，这样的猫是不可能存在的。

随着量子力学的不断发展，人们对薛定谔的猫这个思想实验有了更深刻的认知，甚至延伸出了很多哲学上的争议，还有更疯狂的平行宇宙理论。

当然，科学的东西显然不能仅仅用哲学或者科幻思想去解决，而应该立足科学，用证据来说话。下面就来详细说说量子世界里的叠加态，到底是一个什么样的状态。

叠加态

首先来讲，量子世界也就是微观世界，与我们所在的宏观世界最大的区别在哪里？简单讲就是，我们的世界是确定的，可准确描述的，也是可预测的。而量子世界是不确定的，不能准确描述的，不能准确预测的。

说白了，量子世界里的一切都处于一种不确定的状态，无论是速度，位置，能量等都是不确定的，我们无法同时获得微观粒子的位置和速度信息，但是在宏观世界是可以做到的。

举个例子，一辆小汽车停在路边，它就在那里，位置和速度信息都很确定，我们也能预测未来的一段时间里小汽车可能的状态，如果没有人启动它，小汽车就会一直在那里不动。

但是在量子世界，一切都大不一样了。

比如说上中学时我们都学过原子结构，原子是由原子核和核外电子组成的，那么电子在原子核周围是如何运动的呢？

一开始科学家们认为，电子就像地球围绕太阳那样，围绕原子核运行实际上，但后来我们知道并非如此。原子核并不是围绕原子核在固定轨道旋转的，而是随机出现在原子核周围，并不存在固定的轨道，电子可以随机出现在原子核外围任何位置，甚至可以同时出现在两个不同的位置，实际上这就是波的行为，说明电子就是一种波，这又是另外一个话题了，这里就不再详述了。

电子的这种随机行为就会表现出“电子云”的状态，即便是单个电子，看起来像一团“云雾”一样，电子云的分布可以描述电子在不同位置出现的概率。

而著名物理学家玻恩对于这种概率给出了“波函数”诠释，他认为波函数的物理学意义就是，在量子世界里，某个时间出现的概率。用数学语言表达就是位置和时间演化之间的波函数关系。

通俗理解就是，通过这种关系，我们可以计算出在某一时刻微观粒子在某个位置出现的概率。而这种对于波函数和不确定性概率描述的解释，其实就是哥本哈根诠释。

也就是说，在我们没有实施观测之前，无法确定微观粒子准确的位置和速度信息，而此时的量子系统其实就处于所谓的“叠加态”。比如说，微观粒子可以同时处于两个不同的地方，处于两个不同位置的叠加态。还有刚开始所说的，放射性元素同时处于衰变与不衰变的叠加态当中。

于是，问题就来了，如果我们想知道放射性元素到底衰变还没是没衰变，或者说想知道“衰变与不衰变”的叠加态到底是一个什么状态时，就需要进行观测，当然这里的观测并不仅仅指用眼睛看，任何形式的观测都可以，包括用仪器间接观测。

而当我们一旦实施了观测行为，微观粒子的叠加态就会发生坍缩，从叠加态坍缩为“本征态”，也就是说，观测行为似乎影响了最终的结果。

事实上并非如此，按照哥本哈根学派的诠释，我们看到的微观粒子的确定状态，只是正好看到了微观粒子随机出现在的地方。说白了，微观粒子实际上是无处不在的（其实就是波），所以，无论我们什么时候观测，无论朝那个地方观测，都会看到微观粒子就在那里。因为微观粒子无处不在，只要观测，就会看到微观粒子就在那里等着我们。

可以看出，量子世界里的运行规律完全颠覆了我们的传统认知，与我们的日常生活经验完全相悖，这也是为什么不仅仅是普通吃瓜群众，很多科学家都对量子力学产生深深的质疑，比如说著名物理学家爱因斯坦和薛定谔。

爱因斯坦作为经典物理学的坚定支持者，认为量子力学一定是不完备的，一定存在某个隐变量，才让量子世界看起来如此诡异，所以爱因斯坦认为“上帝不会掷骰子”，言外之意，世界不可能是随机的，而是确定的，可以预测的。

而薛定谔也是在这种背景下提出了著名的思想实验，薛定谔的猫。这个实验确定让物理学家们很头疼，在没有打开箱子进行观测之前，放射性元素处于叠加态，也就是“衰变与不衰变”的叠加态，那么自然那只猫也处于“生和死”的叠加态。

但是一旦我们打开箱子进行观测，观测的一瞬间叠加态就消失了，坍缩为本征态，于是那只猫就会从“生和死”的叠加态瞬间坍缩为“生或者死”的唯一状态，本征态。

说到这里，不得不再强调一下何为“观测”。对于薛定谔的猫这个思想实验，有人可能会提出这样的建议：直接把箱子换成透明的，或者箱子里面偷偷地安装一个探测器，暗中观测不就行了吗？

这就是对观测行为的误解，事实上，任何的“观测”形式都会影响到最终的实验结果，因为不管是什么样的观测，都需要涉及光子，而光子就会影响到里面的量子状态。

实际上，这就是一个矛盾。要想让箱子里面的系统处于绝对的叠加态中，就必须排除任何外界干扰，而任何观测行为实际上都会带来干扰。也就是说，即便是“既死又活”的猫真的存在，我们也永远无法亲眼看到，任何只要一观测，猫就会从“既死又活”的状态瞬间坍缩为“要么死，要么活”的唯一状态。但是如果不观测，当然肯定不能看到“既死又活”的猫！

能够看出，薛定谔的猫这个思想实验，已经不仅仅是科学范畴的问题了，还涉及到某些哲学理论。而薛定谔就是想通过这个实验表达一种思想：量子力学的不确定性和叠加态很可能只是某个更高级更深刻物理定律的表象，一定存在更深刻的底层逻辑。

哥本哈根学派的不确定性和叠加态诠释，并不能很好地解释薛定谔的猫。于是物理学家们相继提出了一系列假说，比如说著名的“多世界诠释”，也就是平行宇宙理论。

用平行宇宙理论诠释薛定谔的猫，就很简单了。其实，原本密闭的箱子里本来就有两个不同的世界，也就是不同的宇宙。在没有观测之前，两个世界融为一体，表现为单独的一个世界，也就是一种状态，可以理解为这个两个世界纠缠在一起，就像量子纠缠那样，不会单独表现出单个世界的性质，只会呈现出整体属性。

而当我们实施观测的一瞬间，箱子的整体属性就会发横分裂，分裂成两个平行宇宙，两个宇宙在观测的一瞬间就没有了任何关系。如果我们在现实里观察到箱子里是一个活猫，并不意味着死猫就不存在，只是死猫存在平行宇宙里，我们无论如何都观测不到而已。

这种多世界诠释足够疯狂，太烧脑了，不仅仅属于科幻领域了，甚至还有一丝奇幻的味道，所以很难被主流科学界认可。

除了多世界诠释之外，还有著名的“退相干诠释”，隐变量诠释等。

其中最著名的当属“退相干诠释”。何为“退相干”？简单说就是“不再相干”。通俗来讲是这样的，任何宏观物体必定会与外部环境发生相互作用，这就意味着，量子系统中的量子的相干性（也就是不确定性，叠加态等）一定会与外部的宏观世界发生量子纠缠，进而随着时间推移，量子系统中的量子的不确定性和叠加态等会逐渐丧失，这种效应就是“退相干”，或者说“量子退相干”。

还拿薛定谔的猫这个思想实验来讲，实际上即便我们不实施任何观测行为，箱子本身一直都在“观测”，因为箱子里面的放射性元素一定会与周围的环境发生作用。我们不可能做到让箱子绝对与外部环境隔绝，无论如何箱子里都会有极其少量的微观粒子，还有辐射，中微子等，因为任何物体都会时刻对外辐射，箱子本身也会辐射。

所以，放射性元素的叠加态在与外部环境发生作用之后，其实早就坍缩为“本征态”了，根本不用我们观测，猫的状态早就确定下来了。

有人可能会提出这样的质疑，既然我们不可能观测到微观世界的那些诡异现象，比如说不确定性，叠加态等，怎么能确定那些诡异现象真的存在呢？

科学家可以用数学语言描述量子世界的运行规律。比如说，薛定谔本人就推导出了薛定谔方程，这个方程在量子世界的地位就相当于牛顿定律在宏观世界的地位，求解薛定谔方程就能计算出微观粒子的波函数，薛定谔本人也因此获得了诺贝尔物理学奖。

但是薛定谔本人并不能诠释波函数的物理含义，这个问题让玻恩解决了。他提出所谓的波函数就是概率波，也就是在某个时间点，微观粒子在某个位置出现的概率。而玻恩也因为概率波诠释获得了诺贝尔物理学奖。

说来也有些讽刺，薛定谔是经典物理学的坚定拥护者，而玻恩是哥本哈根学派的代表人物之一，没想到薛定谔方程中的一些未解之谜，最后被对立派的人物解释了。这确实让薛定谔本人有些挂不住面。

当然，这只是一方面。事实上随着量子力学的不断发展，如今哥本哈根诠释确实成为了主流科学界的正统解释。

按照哥本哈根诠释，量子世界里的微观粒子都可以用波函数来描述，而波函数其实就是一个数学函数，用于描述微观粒子在某个时间点，出现在某个位置的概率。而任何测量行为都会使得原先的不确定状态坍缩为确定的本征态。

按照不确定性原理的诠释，我们永远无法同时获取微观粒子的准确位置和速度信息，位置和速度不确定性的乘积必然不小于一个常数，尽管这个常数非常小，但还是比零要大。

对于不确定性原理，哥本哈根学派也有不同的诠释，比如说玻尔的互补原理，认为任何粒子都只能表现为粒子行为或者波动行为，但绝不能同时表现出两种行为。

总结

经过一百年多年的发展，量子力学早已应用在我们日常生活中，利用量子的不确定性和叠加态，量子纠缠，量子隧穿效应等诡异行为，可以很好地为我们服务。比如说量子计算机，量子隧道显微镜，还有我们日常生活中离不开的手机电脑芯片中都含有量子科技。甚至我们的太阳本身也有量子力学的表现，具体来讲就是量子隧穿效应，如果没有这个效应，太阳根本就不会发光。当然这说来话长了，这里不再详述。

总之就是，如今科学家早就可以把量子世界里面的诡异现象应用在我们日常生活中，但人类并不知道那些诡异现象背后的真正本质。也就是说，对于量子力学，人们只是“知其然，而不知其所以然”！

显然，这也意味着，量子力学背后一定隐藏着更具颠覆性的高级物理定律，再次颠覆我们传统认知的物理定律，而这也是科学家们努力的方向！