深度长文：“薛定谔的猫”，一只“既死又活”的猫（建议收藏）

薛定谔的猫，很多人都听说过，是量子力学发展史上一个著名的思想实验，是由物理学界大佬薛定谔提出来的。薛定谔的本意是想通过一只“既死又活”的猫，质疑讽刺以玻尔为首的“哥本哈根”诠释，没想到结果事与愿违，这只猫最后不但没有让哥本哈根诠释销声匿迹，反而让量子力学名声大噪，最终哥本哈根诠释得到了主流科学界的认可。

那么，薛定谔的猫到底是怎么一只猫呢？

其实，薛定谔的猫只是一个思想实验，既然是思想实验，就意味着我们只能去想象，而无法在现实中亲自做这样的实验。为什么会这样呢？简单了解一下实验过程就明白了。

实验道具很简单，一个密封的箱子，一只猫，一个铁锤，一个开关，一个毒气瓶，还有放射性元素。

如果放射性元素发生了衰变，就会触发开关，开关打开之后，铁锤就会落下，砸碎毒气瓶，释放出毒气，然后猫就被毒死了。

反之，如果放射性元素没有发生衰变，猫就不会被毒死。

而根据量子力学中的叠加态原理，我们无法确定放射性元素是否发生了衰变，准确来讲，放射性元素一直处于衰变与没有衰变的叠加态，衰变与不衰变的概率都是50%。

既然这样，那么开关就处于“开和关”的叠加态，到最后，那只猫自然也会处于“生和死”的叠加态。

按照量子力学不确定性诠释，在我们没有观测时，猫一直处于生死的叠加态，注意不是“生或者死”，而是同时处于“生和死”的状态。而当我们想看看“生死叠加态”到底是一种怎样的状态时，猫就会从“生和死”的叠加态立刻坍缩为“生或者死”的经典确定状态。

说白了，也就是我们的观测行为导致了猫的状态发生了“波函数”坍缩，从“生和死”各50%的概率，坍缩为“要么生，要么死”的100%确定结果。

当然，我们都明白，现实世界中，不可能存在一只“既死又活”的猫。既然不存在，反推过去，也就说明了量子叠加态是不存在的，起码是不完备的。

而薛定谔就是想通过这样的方式质疑量子力学不确定性和叠加态原理，质疑哥本哈根诠释。

薛定谔是量子力学的奠基人之一，他为什么要质疑哥本哈根诠释下的不确定性呢？

薛定谔具有深厚的数学功底，尤其非常擅长微积分，凭借多年的努力，他在1926年提出了著名的“薛定谔方程”，这个方程本身并不复杂，但并不太容易理解。其实不理解没有关系，只需要明白薛定谔方程在量子力学中的地位就可以了。

薛定谔方程在量子世界的地位，就相当于牛顿运动定律在宏观世界的地位，这下应该明白了吧！可见薛定谔方程有多伟大，它能准确解释氢原子结构。

但有一个遗憾的地方，薛定谔本人一直无法解释方程中波函数的具体物理含义。我们都知道，任何数学公式最终都要服务于人类的，这就要求数学公式必须有具体的物理意义，否则就失去了现实意义，也就不是一个完备的理论。

不久之后，德国物理学家玻恩给出了波函数的具体物理意义。玻恩认为，所谓的波函数其实只是一种概率波，这种概率波只能计算微观粒子在某个位置出现的概率，而观测也只能得到某种结果的概率，并不能保证一定会得到某种结果。

正是凭借上述的概率波诠释，玻恩获得了1954年的诺贝尔物理学奖。

按说，薛定谔应该感谢玻恩才对，毕竟玻恩替薛定谔诠释了波函数的具体物理意义。但实际上说起来有点讽刺的味道。玻恩是哥本哈根学派的代表人物之一，他提出的概率波诠释额属于“哥本哈根诠释”，而薛定谔和爱因斯坦等物理学界大佬都属于“决定论派”，也就是经典物理学派，与哥本哈根诠释是完全对立的。

所以，薛定谔对于玻恩的概率波诠释不但没有任何感谢，反而非常愤慨，让他非常不满。

虽然薛定谔和爱因斯坦都是量子力学的奠基人之一，为量子力学的发展起到了很大的推动作用，两人其实也不反对量子力学，反对的只是哥本哈根诠释。

也正因为如此，爱因斯坦和哥本哈根诠释的代表人物之一玻尔，进行了三次大辩论，但最终还是爱因斯坦败下阵来。

不过薛定谔对于这样的结果并不服气，在爱因斯坦去世之后，薛定谔终于放出了一个“大招”：也就是薛定谔的猫，再次向玻尔等哥本哈根学派发起挑战。

刚才说了，薛定谔的本意其实很明显，就是想通过“薛定谔的猫”这个让我们看起来非常不靠谱的实验，来质疑讽刺哥本哈根诠释，表达自己的不满。不过薛定谔本人也无法给出很好的解释。

爱因斯坦和玻尔争论的焦点很明显，不仅仅涉及科学，甚至还有点哲学的味道：我们所在的世界到底由什么支配？是决定论还是概率论？

概率论刚才说过了，什么是决定论呢？说白了，我们的世界是确定的，可描述的，也是可预测的。决定论也叫实在论或者定域论，表明我们的世界是真实客观存在的，这种客观存在性不会受到任何观测行为的影响。

看出来了吧，爱因斯坦和玻尔的争论已经超出了科学范畴，带给了我们哲学上的思考，所以至今也没有一个明确的让人信服的答案。

说了这么多，有一个关键问题还没解释：到底什么是哥本哈根诠释，居然让爱因斯坦和薛定谔等人如此难以接受？

具体来讲，哥本哈根诠释包含了以下内容。

第一，玻恩对于波函数的物理意义描述，也就是概率波诠释，刚才已经说过了。

第二，玻尔提出的互补原理。何为互补原理？某些物理对象看起来拥有矛盾的多重属性，原则上我们并不能用同一种方法同时看到这多种属性，只能用不同的方法观察不同的属性。

看起来有些绕嘴。可以这样通俗理解：比如说，光具有波粒二象性，这两种性质看起来是毛肚你的，其实相互矛盾的波动性和粒子性是互补的，两者同时存在，互为补充，我们无法做到在验证一种特性的同时保证另一个特性不受到干扰或破坏。按照互补原理，自然界的物质就性质来说，既不是粒子也不是波，为突出两种性质中的一种性质而进行的实验或测量，只能牺牲另一种性质。

第三，海森堡提出的不确定性原理，也就是“测不准原理”。该原理认为，我们不可能同时测量出微观粒子的位置和速度，位置越确定，速度就越不确定。反之，速度越确定，位置就越不确定。位置和速度的不确定性的乘积必须不小于一个常数。

第四，叠加态原理，实际上是在希尔伯特空间中构造一个形式上很像波函数的东西。通俗理解就是波函数的叠加，就像两个波处于叠加态一样。

第五，波函数坍缩。刚才也讲了。在测量之前，实际上微观物体是不存在的，是非常模糊的，以非常模糊的概率波形式存在，只有实施了观测之后，才会从模糊的概率波形态坍缩为确定状态。

看了以上哥本哈根诠释，是不是很头大？也难怪薛定谔和爱因斯坦等物理学界大佬坚决反对哥本哈根诠释，他们也很头大。

爱因斯坦认为量子力学一定是不完备的，一定还存在着某种隐变量没有发现，才让量子力学显得如此诡异，一旦发现了隐变量，就很以经典物理的手段诠释量子力学。

但是爱因斯坦始终没有找到隐变量到底是什么。最关键的是，虽然哥本哈根诠释看起来让人头大，违反我们的直觉，但哥本哈根诠释推导出来的结论与实验结果完美吻合，在这种情况下，人们没有理由不接受哥本哈根诠释，至今也没有其他理论能比“哥本哈根诠释”解释的更好。

哥本哈根诠释不仅有实验支撑，还有理论上的支持，比如说著名的贝尔不等式，它一个有关是否存在完备局域隐变量理论的不等式。在经典物理学中，此一不等式成立。在量子物理学中，此一不等式不成立，即不存在这样的理论。实验表明贝尔不等式不成立，说明不存在关于局域隐变量的物理理论可以复制量子力学的每一个预测，说白了，哥本哈根诠释是站得住脚的。

当然，对于薛定谔的猫这个思想实验，还有其他诠释，比如说退相干理论，还有多世界诠释等。

何为“退相干”？说白了就是“失去相干性”。一个宏观物体必定与其外部环境相互作用，即使组成环境的单个微粒很小，与宏观物理碰撞时能量交换可以忽略不计，环境也可以记录宏观物体运动信息，从而与宏观物体形成量子纠缠，发生量子退相干。

简单理解就是：开放量子系统的量子相干性会因为与外在环境发生量子纠缠而随着时间逐渐丧失。猫所在的密封的箱子并不能保证与外部环境完全隔绝，而任何微小的扰动都会导致放射性元素发生“波函数坍缩”，甚至猫自身的观测行为也会导致波函数坍缩。所以根本不用等科学家去观测，猫的状态在一瞬间就确定下来了。

还有多世界诠释更匪夷所思。讲的是，在我们观测猫的一瞬间，宇宙会发生分裂，分裂出平行宇宙。在我们的宇宙只能看到活着的或者死的猫。如果看到的猫是活的，并不代表不存在死猫，只是死猫会出现在另一个宇宙。也就是说，任何可能性都会出现，只是出现在不同的宇宙罢了。

总结

薛定谔的猫这个思想实验，本来可以看成薛定谔等物理学界大佬的一个赌气或者玩笑话，相信薛定谔当时也不会太较真，没有把这个思想实验当回事。没想到的是，这个思想实验竟然开启了科学家们把量子世界的量子特性引入到宏观世界的设想和探索。

而在2005年，美国科学家就曾成功让6个铍离子实现了自旋方向完全相反的宏观量子叠加态，也被戏称为“薛定谔猫态”。虽然只是6个铍离子，但意义重大，说明叠加态确实存在，甚至能在宏观世界存在。

只不过我们所在的宏观世界由于质量太大，同时还有各种无法避免的干扰，量子世界里的叠加态很难体现出来。如果未来人类科技足够发达，是否能够做到让足够大的宏观物体，比如说让我们人类实现“叠加态”呢？

如果可以的话，或许未来的人类就有机会实现“生死的叠加态”，意味着永生？果真如此的话，这也太恐怖太不可思议了！

完！