《薛定谔的猫》：量子迭加态，既活着又死了，这怎么可能

            

物理学界四大神兽：芝诺的乌龟、拉普拉斯妖、麦克斯韦的精灵与薛定谔的猫齐登场。

这是【十大悖论】第 06 篇文章

我们想象一下，有一只猫，被关在一个箱子里面，这个箱子只有一扇门，在不打开门的情况下，我们无法看到里面的情况。与猫一起被关在箱子里面的，还有一个装置，一块放射性元素。由于放射性元素的量极少，因此在一个小时里面有50%的概率会有一个原子发生衰变，并释放出一个次原子粒子。如果发生了衰变，则装置就会被启动，并释放出毒气，毒死这只猫，如果放射性元素没有发生衰变，则什么事都不会发生。

其中的关键在于放射性元素发生衰变的时机，是一种甚至在原则上也无法事先预测的量子事件，根据量子力学另外两位开山祖师玻尔与海森堡所提出的标准来诠释，这并不是因为我们无法掌握预测所需的所有信息，而是因为在量子的层次上，大自然本身就不知道衰变何时会发生。

那么问题来了，请问在这一个小时里面，箱子里的猫究竟处于什么状态，它究竟是活着还是死了？

有些朋友可能会觉得，这很简单啊，只要打开箱子看一下就知道猫是死是活。

这的确是一个好办法，似乎也是唯一的办法，但当年薛定谔写出名为《量子力学现况》（ThePresent Situation in Quantum Mechanics）的长篇论文时，肯定不会是号召人们去打开箱子。

单个原子是否衰变，其实是一个概率事件，我们在事先无法预测，我们只能知道，它可能衰变，也有可能不衰变。薛定谔认为，猫也是由原子构成的，而每一个原子都遵从量子力学的法则。当猫被放在箱子里，其命运便与放射性原子纠缠在一起（术语叫做“缠结”， entangled），也应该适用相同的量子法则。

如果原子未产生衰变，猫就会存活下来；如果发生衰变，猫就死了。如果原子同时处于这两种态，猫也必须同时处于两种态——活猫态和死猫态。这意味着，猫既不是真的活着也不是真的死了，而是处于一种模糊的、非物理的、介于两者之间的状态，只有当箱子打开，猫才会出现两种态的其中一种。

在薛定谔写出这篇论文之前，另一位量子力学大咖海森堡在德国赫里戈兰岛治疗他的花粉症并逐渐康复期间，在建构描述原子世界所需的新数学时取得了重大进展。简单来讲，这是一个非常奇怪的数学——矩阵，与传统数学大相庭径。他认为，就算我们在测量的时候，电子本身也不会有一个明确的位置，而是一团难以掌握的模糊状态。

▲ 海森堡，笑得好骚哦

而后他得出结论：原子世界是一个虚幻的半真实世界，只有当我们建立一套量测仪器去探测它时，才能将它转化为具体而清晰的存在。即使如此，仪器也只能显示量测所针对的性质。

后来，薛定谔在德布罗意的基础上，得出了他的波函数方程，实际上，海森堡的矩阵力学与薛定谔的波函数方程，在本质上是同一回事。其中矩阵力学是从粒子的运动方程出发，另一个则是从波动方程出发，所谓殊途同归，最终表现的都是同一个东西。

很快，大家发现，从矩阵出发，可以推导出波动函数，从波动函数出发，可以推导出矩阵。

哥本哈根派的领头羊玻尔认为，电子就像一个幽灵一样，我们不观测的时候，电子是什么状态，完全都是未知的，而一旦我们观测，电子才变成实在。

有了这些背景知识，我们再回过头来看那只可怜的猫，在我们未观测它之前，实际上它是什么状态，完全都是未知的。这也就是说，它处于半生半死、半死半生的量子迭加态中。

在量子世界中，事情的发展取决于我们是否进行观察，结果会有很大的不同。当我们不观察时，它们处于迭加态，能同时做两件以上的事。一旦我们进行观察，就会立即迫使它们在各种选项之间做出选择，呈现合乎常理的结果。关在箱子里的放射性原子与猫，确实是两种量子态的迭加，同时是已衰变与未衰变。这并不是因为我们无法掌握信息，所以必须“容许”它可能处于任一状态，而是因为它确实是两者虚幻般的结合。

可是，这怎么可能呢？

当我们打开箱子的时候，我们会得到一个确定的答案，猫要么是死的，要么是活的，实在是难以想象，处于生与死迭加态的猫是一个什么样的存在。

或者，我们换一个例子，我们将猫换成人，我们把大柱子塞进去。抱歉，我不是那么残忍的人，将猫换成大柱子之后，我们将装置也换一个，它不再释放毒气，而是释放一种会让人入睡的玩意儿，也就是古装剧中的迷香，对人体无害。

在我们不打开箱子的时候，按照量子世界的规则，我们无法确切知道大柱子究竟是处于清醒状态还是昏睡状态，我们只能得出，大柱子处于清醒与昏睡的迭加态。当我们打开箱子的时候，如果我们看到一个清醒的大柱子，那么他会告诉我们，在箱子里面的时候，什么事情都没有发生，他什么都没有感觉到。如果我们看到一个昏睡的大柱子，那么我们可以叫醒他，而后问他，刚刚发生了什么事。他会告诉我们，突然之间他感觉好困，然后就睡过去了，再然后就被我们叫醒了。

也就是说，大柱子实际上并非处于迭加态，前者，他一直都是清醒状态，后者，他处于清醒而后昏迷状态。如果我们告诉他，在我们打开箱子之前，我们认为你处于清醒与昏迷的迭加态中，他肯定会在箱子里面嘲笑我们，你们真会开玩笑。

实际上，为了获得某个系统的信息，我们必须对它进行量测，但在此同时，我们往往也无可避免地改变了它的状态，导致我们无法观察到它真正的性质。

直到上世纪末，科学家才又得出了一个合理的解释，也就是退相干，什么意思呢？以薛定谔的猫为例，当我们没有打开箱子的时候，箱子里面的猫的确处于生与死的量子迭加态中，但是当我们打开箱子的一瞬间，除了一种我们所看到的现实外，其他的迭加态瞬间就消失了，在数学上变成了零。一旦我们从量子世界的迭加态中探出头来，我们就回不去了，只剩简单的统计概率可用。

这也牵扯到了平行宇宙，我们假设有宇宙A和宇宙B，这两个宇宙的其他条件都一样，唯一不同的是，在我们打开箱子的一瞬间，A宇宙中，猫是死的，而在B宇宙中，猫是活的。而我们，只是处于众多可能性的一个宇宙当中。

也许，我们如今所经历的一切，都只不过是奇奇怪怪宇宙中的一个。

量子世界充满了不确定性，很多时候我们对此一无所知，但当事件从量子世界扩张到现实世界，也就是牛顿尺度下的世界上时，很多不确定性就已经消失了，变得清晰可见。骚也许，在遥远的未来，我们会有新的一套解释这个宇宙的工具，到了那时，薛定谔的猫没准就有了新的答案，喵。

         

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