什么是薛定谔的猫？

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薛定谔的猫是科学史上最著名的思想实验，围绕它的争论直到现在也没有结束。这是一个把量子力学应用到宏观世界时出现的神奇悖论。

叠加态

我们知道：量子的世界非常神奇，在量子的世界里，确定性被概率取代了，无论是粒子的位置、能量还是速度，都处于一种不确定的状态之中。

例如：氢原子是由原子核和核外的一个电子组成的，电子会围绕原子核高速运动。最初波尔在解释氢原子时，认为氢原子的电子存在不同的轨道。但是他发现这种理论只对氢原子有效，稍微复杂一点的原子都无法解释。后来人们终于发现：电子并不存在确定的轨道，他的空间位置是随机的，于是人们画出了电子云，表示氢原子中的电子出现在各个不同位置的概率。

在德布罗意提出物质波的概念之后，波恩通过概率说解释了物质波和波函数的含义：波函数表示量子系统中某个事件的概率。

比如波函数ψ(r,t)表示一个随着位置r和时间t演化的波函数，那么|ψ(r,t)|的平方就表示在位置r和时刻t找到粒子的概率。波尔等人认为这种观点是正确的，人们把这种对于波函数和量子力学基本问题的解释称为哥本哈根诠释。

更为神奇的是：因为量子系统的概率诠释，我们在没有进行观测时，不能确定一个例子的位置和速度等信息，因此量子系统就处于一种叠加态。例如粒子既可能在A处，也可能在B处，它就处于A和B两处的叠加态；一个原子核可能衰变也可能没有衰变，它就出于衰变和未衰变的叠加态。

我们要知道这个粒子到底处于A还是处于B，或者要知道一个原子核到底衰变了没有，就需要进行观测。我们可能发现粒子在A处，也可能发现粒子在B处，我们称为叠加态坍塌成了本征态。似乎，我们的观测是会影响结果的，因为在观测之前， 粒子究竟在哪里是不确定的，而观测之后，粒子立刻选择了A位置或B位置，这个过程就是在我们观测的一瞬间发生的。而且从此之后，粒子的状态就确定了。

这种观点与宏观世界是相违背的。比如我们到酒吧里去喝酒，服务员为我们倒了一杯酒，可能是啤酒，也可能是葡萄酒，我们可以通过品尝知道这杯酒是什么，然而，就算我们不去品尝，我们也知道这杯酒一定要么是啤酒要么是葡萄酒，虽然我们不知道这杯酒是什么，但是服务员知道。就算服务员也不知道，我们何时品尝，或者谁来品尝，这杯酒的测量结果都不会有不同。因此宏观世界不是处于叠加态，而是处于一个个本征态的。

但是量子世界里的酒却不是这样。这杯酒处于啤酒和葡萄酒的叠加态，既有可能是啤酒，也有可能是葡萄酒。现在不光世界上任何一个人都不知道这杯酒是什么，而且在不同的时刻，不同的人来品尝这杯酒，结果都可能不同。

薛定谔的猫

由于量子力学中有太多与常识相违背的结论，所以许多人对量子力学产生了怀疑。许多人认为量子力学是一个不完备的理论，它只是一个更深刻的物理结论的某一个侧面。这其中就包含着量子力学的许多创立者，如爱因斯坦说“上帝不掷骰子”，薛定谔也提出了薛定谔的猫。

奥地利物理学家埃尔温·薛定谔是量子力学的奠基人之一。他在1926年提出了薛定谔方程，用以描述量子态的波函数随着时间的演化，并获得诺贝尔奖。

但是，他却认为量子力学并不是一个完备的理论。尤其是：在宏观世界中会有许多与量子力学相违背的事实。他为了把这个事实描述的更加清晰，就提出了薛定谔的猫这个最让物理学家们头疼的思想实验。

把一只猫关在一个封闭的铁容器里面，并放入少量的放射性物质。这些物质在一小时内有50%的概率发生衰变，还有50%的概率不发生衰变。如果物质发生了衰变，旁边的探测器会探测到，这样会通过一个装置启动一个榔头。榔头会打碎一个装有有毒物质的瓶子。瓶子里的有毒物质扩散到容器里，就会把猫毒死。如果物质没有衰变，那么有毒物质不会扩散，猫就活得好好的。

由于量子系统处于叠加态，因此在人们没有打开盒子看的时候，这些放射性物质处于衰变和没有衰变的叠加态之中，这就使得这只猫处于一种既活又死的叠加态之中。只有打开盒子进行观测，在这一瞬间叠加态会瞬间坍塌成本征态，这只猫就从一个既死又活的状态立刻变为活的或者死的猫。

有人可能会认为：不打开盒子也没关系，我们可以在盒子上安装一个玻璃看着这只猫啊。要知道：任何的观测行为都会影响实验。比如安装玻璃我们能够看到内部，这是因为有光射入了盒子再反射出来，这些光子就会影响量子系统，所以不能完成实验。猫要处于真正的叠加态之中，必须排除任何外界的干扰，因此人们也无法观测。

这只猫的出现让物理学家们抓狂了。人们差一点就相信了量子力学和哥本哈根诠释，但这个美好的愿望被一只猫打击的粉碎。

薛定谔通过这个实验向世界阐述：量子力学只是某个更深刻物理原理的侧面。

“有人认为量子力学是一幅云雾的照片，但它其实可能是一张摇晃或失焦的图片。”

平行世界

那么，薛定谔的猫究竟该如何解释呢？现在的科学界对此还没有统一的观点。有些科学家甚至提出了许多神奇的理论来解释它。

1957年，科学家休·艾弗雷特提出了著名的“多世界诠释”。他认为：在进行薛定谔的猫的实验时，箱子里原本就有两个世界。这两个世界在箱子外的情况完全相同，只是一个世界里箱子里有个死猫，而另一个世界里箱子里有一只活猫，只不过这两个世界是纠缠在一起的。当我们打开箱子进行观测时，这两个世界就会发生分离，从此之后各自变为一个新的世界，而且彼此毫无影响。

这种想法多么的神奇！科幻作者们为此欣喜若狂，一大批科幻小说和电影都通过这个理论演绎平行世界的精彩故事，比如《彗星来的那一夜》就是部不错的电影。

可是这种想法又如此不可思议，让大部分科学家不愿承认它。薛定谔的猫至今仍是一个无法完全理解的怪物。

量子力学究竟是不是完备理论？人们对它还存在很多争论。著名的物理学家、诺贝尔奖获得者、最幽默的物理学家费曼曾经说过：“我想我可以有把握地讲，沒有人懂量子力学！”

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李永乐

李永乐老师：北京大学物理与经济双学士，清华大学电子工程硕士；北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年，培养清华北大学生200余人，国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。

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