深度长文：薛定谔的猫，为什么能让物理学家抓狂几十年？

薛定谔的猫从来就不是一只真正的猫，它只是奥地利物理学家薛定谔在1935年脑子里想出来的一个玩意儿。

但是，如果你真的深入了解了量子力学，了解了这只猫背后的诡异之处，就会发现：这只猫虽然不是真的，但它带来的问题，直到今天还在困扰着物理学家。

说白了，这只猫就像一根刺，扎在物理学的心脏上，拔不出来，也咽不下去。

接下来我会详细具体聊聊，这只猫到底有什么魔力，能让物理学家们抓狂了快一百年。

先从最基本的说起。

什么是思想实验？

简单讲就是用脑子做的实验，不是在实验室里真刀真枪干的那种。你可能会说，用脑子做实验有什么意思？那可就大错特错了。

在物理学的发展史上，很多重大突破都是从思想实验开始的。

比如说伽利略的比萨斜塔实验，很多人都以为伽利略真的爬到斜塔上扔了两个铁球，其实并没有，那就是个思想实验。

伽利略就是在脑子里想了想：如果重的东西下落快，轻的下落慢，那把它们绑在一起会怎么样？

一想就发现矛盾了，于是就推翻了亚里士多德统治了两千多年的观点。

再比如爱因斯坦的追光实验。他十六岁的时候就在想：如果我能追上一束光，那我会看到什么？会看到静止的光波吗？

就是这么一个看似天真的问题，最终引出了狭义相对论。

所以说，思想实验可不是瞎想，它是物理学的一把尖刀，能剖开现实的迷雾，直达问题的本质。

而薛定谔的猫，就是物理学史上最著名的思想实验之一，没有之一。

它的名气大到什么程度？这么说吧，哪怕你对物理一窍不通，大概率也听说过"薛定谔的猫"这五个字。

这只猫已经出圈了，成了一个文化符号。

但是，大多数人其实并不真正理解这只猫到底在说什么。

很多人以为薛定谔的猫就是在说"一只猫既死又活"，听起来很玄乎很科幻，但其实没那么简单。

要真正理解这只猫，你得先搞懂一个概念：叠加态。

什么是叠加态？

说白了，就是一个东西同时处于两种状态。

在我们生活的宏观世界里，这是不可能的。一个东西要么在这，要么在那；要么是死的，要么是活的，不可能同时处于两种状态。

但是在量子世界里，一切都不一样了。

量子世界里的东西，比如说电子、光子这些微观粒子，它们没有确定的状态。一个电子，它可能同时在A点和B点，同时向上转和向下转，同时干两件完全矛盾的事情。

这就是叠加态。

你肯定会觉得这太扯了，怎么可能呢？一个东西怎么可能同时在两个地方？

我只能说，不仅你觉得扯，当年的物理学家们也觉得扯。

但是没办法，实验结果就是这样。

最经典的就是双缝干涉实验。

这个实验有多牛？这么说吧，它被称为"物理学史上最恐怖的实验"，没有之一。

实验很简单，就是让电子一个一个地通过两条狭缝，然后看后面屏幕上会出现什么。

如果电子是粒子，就像小弹珠那样，那屏幕上应该出现两条亮线，对吧？因为电子要么从左边的缝过去，要么从右边的缝过去，最后打在屏幕上就是两条线。

但结果不是。

结果是，屏幕上出现了明暗相间的干涉条纹。

干涉条纹是什么？那是波才有的特性啊！就像两道水波碰到一起，有的地方波峰叠加变高了，有的地方波峰和波谷抵消了，就会出现明暗相间的条纹。

这说明什么？说明电子同时通过了两条缝，自己和自己发生了干涉！

一个电子，同时从左边的缝过去，又从右边的缝过去，这不是扯吗？

但实验结果就是这样，你爱信不信。

更恐怖的还在后面。

物理学家们想，既然电子这么诡异，那我装个探测器在缝旁边，看看电子到底从哪条缝过去，总可以吧？

结果一装探测器，干涉条纹消失了！屏幕上真的出现了两条亮线，电子老老实实变成了粒子，每次只从一条缝过去。

你说邪门不邪门？

就好像电子知道有人在看它，一有人看，它就乖乖的；没人看，它就到处乱跑。

这就是量子力学里最核心的概念之一：观测导致坍缩。

什么意思呢？

就是说，在没有观测的时候，粒子处于叠加态，同时处于多种状态。

但是一旦你去观测它，它就会瞬间"坍缩"成其中一种确定的状态。

观测之前，它是模糊的、不确定的、叠加的；观测的那一瞬间，它就确定了。

这听起来是不是很唯心？好像人的意识能决定客观世界一样？

当年的物理学家们也是这么想的，所以他们吵翻了天。

以玻尔为首的哥本哈根学派说，就是这样的，量子世界的本质就是不确定的，叠加态是真实存在的，观测会导致坍缩。

而以爱因斯坦为首的另一派说，扯淡，肯定是我们知道的还不够多，背后一定有什么隐变量我们没发现，粒子的状态其实早就确定了，只是我们不知道而已。

爱因斯坦说了一句很有名的话：上帝不掷骰子。

意思就是，世界的本质是确定的，不是随机的。

而玻尔回了一句：别指挥上帝怎么做。

两大巨头吵了几十年，谁也说服不了谁。

而薛定谔，是站在爱因斯坦这边的。

薛定谔是谁？

他是量子力学的奠基人之一，大名鼎鼎的薛定谔方程就是他提出来的。

这个方程在量子力学里的地位，就相当于牛顿三定律在经典力学里的地位，是基石中的基石。

按理说，提出了量子力学核心方程的人，应该是量子力学的铁杆支持者吧？

恰恰相反。

薛定谔虽然提出了薛定谔方程，但他本人对量子力学的哥本哈根诠释非常不满。

他觉得，什么叠加态，什么观测坍缩，太扯了，这根本不是物理，这是玄学。

于是，他就想出了那只著名的猫，用来讽刺哥本哈根学派。

他的意思很简单：你们不是说微观粒子有叠加态吗？行，那我把微观粒子和一只猫绑在一起，看你们怎么说。

实验设计是这样的：

一个密封的箱子，里面放一只猫。箱子里还有一个放射性原子，一个粒子探测器，一把锤子，一瓶剧毒物质。

放射性原子有50%的概率会衰变，50%的概率不会衰变。

如果原子衰变了，探测器就会探测到衰变放出的粒子，然后触发机关，让锤子掉下来，砸碎毒气瓶，毒气释放出来，猫就死了。

如果原子没有衰变，那什么都不会发生，猫就活着。

好了，现在问题来了。

按照哥本哈根诠释，在我们没有打开箱子观测之前，这个放射性原子处于"衰变"和"未衰变"的叠加态。

既然原子处于叠加态，那后面的一系列连锁反应不也都处于叠加态吗？

探测器处于"探测到"和"没探测到"的叠加态，锤子处于"落下"和"没落下"的叠加态，毒气瓶处于"碎了"和"没碎"的叠加态。

那最终的结果就是：猫处于"死了"和"活着"的叠加态。

一只既死又活的猫。

薛定谔说，你们看，这多荒谬？一只猫怎么可能既死又活？这明显违背常识嘛！所以你们的叠加态理论肯定有问题。

他本来是想用这个思想实验来讽刺哥本哈根学派，证明量子力学的不完备。

结果没想到，这只猫一炮而红，成了量子力学最著名的代言人。

本来是用来反量子力学的，结果成了量子力学的吉祥物，你说搞笑不搞笑？

但是，问题并没有解决。

这只猫到底是死是活？它真的能处于既死又活的叠加态吗？

这个问题，直到今天还没有标准答案。

当然，物理学家们也不是吃素的，他们提出了各种各样的解释，试图解决这个悖论。

其中最有名的，就是多世界诠释，也就是我们常说的平行宇宙。

这个解释是1957年一个叫休·艾弗雷特的科学家提出来的。

他说，什么叠加态，什么坍缩，都是扯淡。根本没有什么坍缩，每一次观测，宇宙就分裂一次。

什么意思？

就是说，在你打开箱子的那一瞬间，宇宙分裂成了两个。

在一个宇宙里，你看到猫是活的；在另一个宇宙里，你看到猫是死的。

两个宇宙都是真实存在的，它们平行发展，互不干涉。

你以为你看到了唯一的结果，其实只是你碰巧处于其中一个宇宙而已。另一个宇宙里的"你"，看到的是完全相反的结果。

这个解释听起来是不是更扯了？为了解释一只猫，竟然把整个宇宙都搭进去了，还分裂了，至于吗？

但是你别说，这个理论还真有不少支持者。

为什么？因为它很简洁，不需要引入什么"观测导致坍缩"这种奇怪的假设，也不需要解释什么是"观测"，什么算"观测"。

在多世界诠释里，没有坍缩，只有宇宙的不断分裂。

而且，这个理论和所有的实验结果都不矛盾，你没法证明它是错的。

当然，你也没法证明它是对的。

因为按照这个理论，不同的宇宙之间是没法联系的，你永远不可能去另一个宇宙看看那里的猫是死是活。

所以，这就很尴尬了。

它既不能被证实，也不能被证伪，那它到底算不算科学？

这就涉及到科学的本质问题了，我们后面再说。

除了多世界诠释，还有退相干理论。

这个理论说，什么既死又活的猫，不存在的。猫的状态早就确定了，只是我们以为它还处于叠加态而已。

为什么？

因为宏观物体太大了，它不可能和环境完全隔绝。只要有一个光子、一个空气分子碰到了猫，那就相当于"观测"了猫，叠加态就坍缩了。

你想啊，箱子再密封，里面也有空气吧？空气分子会撞到猫身上吧？那每一次碰撞都是一次观测，猫的状态早就坍缩了，根本轮不到我们打开箱子。

所以，在我们打开箱子之前，猫的状态早就确定了，要么死了，要么活着，不存在什么既死又活的叠加态。

这个解释听起来是不是合理多了？

但是，它也有问题。

它把"观测"的概念扩大了，不再是人的观测才算观测，环境的相互作用也算观测。

那问题来了，到底什么程度的相互作用才算"观测"？一个光子够不够？一个电子够不够？为什么有的相互作用会导致坍缩，有的就不会？

这个界限在哪里？

没人说得清。

而且，退相干理论其实并没有真正解决问题，它只是把问题往后推了一步。

原来的问题是：为什么观测会导致坍缩？

现在的问题变成了：为什么和环境的相互作用会导致退相干？

本质上还是一回事。

除了这两种，还有很多其他的解释，什么隐变量理论、一致性历史、关系性量子力学等等，一大堆。

但是没有一种能让所有人都信服。

这就是量子力学的现状：我们知道怎么用它，我们能用它造出芯片、造出激光、造出各种高科技产品，它的计算结果精准到令人发指。

但是，我们不知道它为什么是这样的。

我们知其然，但不知其所以然。

这就很尴尬了。

就像你有一台超级好用的机器，你按这个按钮它就干这个，按那个按钮它就干那个，百试百灵。但是你完全不知道它内部是怎么工作的，你打开盖子一看，里面全是乱七八糟的线和齿轮，你根本看不懂。

量子力学就是这么一台机器。

用，是真的好用；懂，是真的不懂。

说到这里，说点题外话，聊聊物理学的四大神兽。

很多人都听说过这个说法，物理学有四大神兽：芝诺的龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖、薛定谔的猫。

这四个玩意儿，分别对应着物理学的四个终极问题。

芝诺的龟，讲的是时空是否无限可分的问题，也就是芝诺悖论。

这个悖论很有名，说的是一个人从A点走到B点，要先走完路程的一半，再走完剩下的一半，再走完剩下的一半……

这样一直分下去，永远也走不到终点。

这个问题困扰了人类两千多年，直到牛顿和莱布尼茨发明了微积分，才算真正解决了。

所以芝诺的龟，是第一只死掉的神兽。

拉普拉斯兽，讲的是决定论的问题。

拉普拉斯说，如果有一个神兽，它知道宇宙中所有粒子的位置和速度，那它就能根据牛顿定律，计算出宇宙的过去和未来。

一切都是注定的，没有什么真正的随机。

这就是拉普拉斯兽，代表着绝对的决定论。

但是这只神兽也死掉了。

杀死它的，是量子力学和热力学。

量子力学的不确定性原理告诉我们，你不可能同时准确知道一个粒子的位置和速度。热力学的熵增定律告诉我们，时间是有方向的，很多过程是不可逆的。

所以拉普拉斯兽，也死了。

麦克斯韦妖，讲的是热力学第二定律的问题，也就是熵增定律。

麦克斯韦想象出了一个妖怪，它能控制一个盒子中间的小门，让速度快的分子去一边，速度慢的分子去另一边。这样一来，一边就会变热，另一边就会变冷，而不需要消耗能量。

如果这只妖怪真的存在，那第二类永动机就造出来了，热力学第二定律就被推翻了。

当然，这只妖怪最后也被干掉了。

干掉它的是信息论。人们发现，这只妖怪要想分辨分子的速度，它就得获取信息，而获取信息是要消耗能量的，会产生熵。

所以整体来看，熵还是增加的，并没有违反热力学第二定律。

所以麦克斯韦妖，也死了。

四只神兽里，只有薛定谔的猫，至今还活着。

它就像一个幽灵，飘荡在量子力学的上空，提醒着我们：我们其实并不真正理解这个世界。

说到这里，我想再聊聊一个更深层次的问题。

那就是：我们看到的世界，是真实的世界吗？

很多人可能会说，当然是了，我亲眼看到的，还能有假？

但是，如果你了解了量子力学，了解了我们的感官和大脑是怎么工作的，你可能就不会这么确定了。

我们先来说说感官。

人类的眼睛，只能看到波长在380到760纳米之间的电磁波，也就是所谓的可见光。

而整个电磁波谱有多大呢？从波长几公里的无线电波，到波长比原子核还小的伽马射线，可见光只占了不到万分之一。

也就是说，我们看到的世界，只是真实世界的万分之一都不到。

我们周围充满了我们看不见的东西：无线电波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线……它们就在我们身边，穿过我们的身体，但我们完全感觉不到。

你以为房间里是空的，其实里面充满了各种电磁波，只是你看不见而已。

听觉也是一样。人类只能听到频率在20到20000赫兹之间的声音，低于20赫兹的次声波，高于20000赫兹的超声波，我们都听不到。

而很多动物就能听到，比如蝙蝠就能用超声波定位，大象就能听到次声波交流。

所以，每个物种感知到的世界，都是不一样的。

你看到的世界，和一只狗看到的世界，和一只蝙蝠看到的世界，完全不同。

那谁看到的才是"真实"的世界？

答案是：都不是。

每个物种看到的，都只是世界的一个侧面，一个切片，一个投影。

没有谁能看到"真实"的世界，因为根本就不存在什么"真实"的世界，或者说，我们永远也触及不到那个真实。

我们的感官，本质上就是一个信号接收器，而且是带宽非常有限的接收器。

更有意思的是我们的大脑。

大脑不是被动地接收信号，它是主动地"编"故事。

科学家们做过实验，我们的大脑每秒接收的信息量超过1000万比特，但是我们能意识到的，只有大约40比特。

剩下的99.99%的信息，都被大脑过滤掉了。

而且，大脑还会主动地填补空白，编造故事，让我们看到的世界显得连贯、完整、合理。

比如说，我们的眼睛其实有一个盲点，就是视神经穿出视网膜的地方，那里没有感光细胞，所以理论上我们的视野里应该有一个黑洞。

但是你从来没感觉到过，对吧？因为大脑自动把那个黑洞给补上了，它根据周围的图像，脑补出了盲点那里应该有什么，然后呈现给你。

你看到的，是大脑"想"让你看到的，而不是真实存在的。

还有一个很有名的实验，叫"看不见的大猩猩"。

就是让你看一段视频，视频里有几个人在传球，让你数传球的次数。

视频看到一半，有一个穿着大猩猩服装的人从画面中间走过，还停下来捶了捶胸，然后走掉了。

结果呢？大约有一半的人，根本没看到大猩猩。

他们的注意力都在数传球次数上，大脑就把大猩猩这个"无关信息"给过滤掉了。

你看，明明就在眼前的东西，你都可能看不见。

所以说，我们的认知，其实是非常主观的。

我们看到的世界，是大脑经过筛选、加工、脑补之后呈现给我们的一个"模型"，而不是世界本身。

这个模型好用吗？好用，非常好用，它能帮我们生存下来，帮我们应对日常生活中的绝大多数问题。

但是，它就是真实的吗？

不一定。

说到这里，你可能会问：那量子力学呢？量子力学描述的那个诡异的、不确定的、叠加的世界，是真实的吗？

还是说，那也只是我们的大脑构建出来的另一个模型？

这个问题，就更深了。

其实，科学理论到底是什么？它是对世界"真实面貌"的描述，还是只是一个好用的工具？

这在科学哲学里，是一个争论了很久的问题。

一派叫实在论，认为科学理论是在描述客观世界的真实面貌，我们的理论会越来越接近真理。

另一派叫工具主义，认为科学理论只是一个工具，只要它能预测实验结果，能帮我们解决问题，它就是好的理论。至于它是不是"真实"的，不重要。

量子力学，就是工具主义的一个绝佳例子。

它好用吗？太好用了，好用到离谱。我们现在的整个信息时代，从电脑到手机，从互联网到人工智能，全都建立在量子力学的基础上。没有量子力学，就没有半导体，就没有芯片，就没有这一切。

但是，它"真实"吗？

没人知道。

我们知道它算出来的结果和实验符合得很好，好到小数点后十几位都能对上。但是我们不知道它为什么是这样的，不知道它背后的"真实"到底是什么。

甚至，有没有所谓的"真实"，都不一定。

这就很有意思了。

我们用一个我们自己都不理解的理论，造出了整个现代文明。

这就像原始人捡到了一把手枪，他们不知道手枪的原理，不知道它为什么能打出子弹，但是他们发现，扣动扳机就能打死猎物，就能打败敌人，于是他们就用得很溜。

我们和那些原始人，其实也差不了多少。

当然，这么说可能有点太悲观了。

毕竟，我们还是在不断进步的。

从牛顿力学到相对论，从经典物理到量子力学，我们对世界的认识确实是越来越深了。

但是，每一次进步，都会带来更多的问题。

每揭开一层面纱，就会发现下面还有另一层面纱。

而且，越往深处走，问题就越诡异，越颠覆我们的常识。

这可能就是科学的宿命吧。

它永远也不会有终点，永远也不会有一个终极答案告诉我们"世界就是这样的"。

它只会不断地往前走，不断地推翻旧的理论，建立新的理论，然后再推翻，再建立。

它不追求绝对真理，它只追求"更好用的模型"。

牛顿力学好用吗？在我们的日常生活中，太好用了，好用到我们几乎感觉不到它的存在。

但是到了高速、大质量的情况下，它就不好用了，这时候我们就需要相对论。

相对论好用吗？在宏观、大尺度的情况下，非常好用。

但是到了微观尺度，它又不好用了，这时候我们就需要量子力学。

那量子力学就是终极理论了吗？

肯定不是。

我们已经知道，量子力学和广义相对论是矛盾的，它们不可能都对，或者说，它们都只是某个更深刻理论的近似。

那个更深刻的理论是什么？是弦理论？是圈量子引力？还是别的什么？

没人知道。

但是我们知道，一定有那么一个理论，比现在的量子力学和相对论都更深刻，更基本。

而等我们找到了那个理论，我们就到达终点了吗？

不会的。

那个理论的背后，一定还有更深的问题。

这就是科学，永无止境。

薛定谔的猫，这只既死又活的猫，这只困扰了物理学家近百年的猫，这只至今还活着的猫。

它可能永远也不会有一个标准答案。

但是没关系。

正是因为有这些没有答案的问题，科学才会一直往前走，我们才会一直保持好奇，一直保持探索的欲望。

而好奇，才是人类最宝贵的东西。

最后说一句。

如果你看完这篇文章，觉得更懵了，更不懂量子力学了，那恭喜你，你开始真正懂量子力学了。

因为量子力学的第一课就是：你以为你懂了？不，你不懂。

如果你觉得自己懂了，那你一定是没懂。

这不是绕口令，这是真的。

连费曼都说过：我想我可以有把握地说，没有人真正理解量子力学。

连最顶尖的物理学家都这么说，我们普通人不懂，太正常了。

不懂没关系，保持好奇就好。

毕竟，这世界上最酷的事情，就是知道自己不懂，然后还愿意继续去探索。