可怜的猫

“ 微观世界的波粒二象性，反直觉！这让一只猫来阐释，喵星人表示不服。”

相对于我们经验的物质世界，量子物理为我们展现出一个完全超越直觉甚至诡异的微观世界。其中最有意思的一点就是当物质小到一定程度时，它会由一个实体物质变成一个弥漫空间的波。这就是著名的波粒二象性，也就是一个微观粒子会表现出波的特性，同时又表现出粒子的特性。

那么波的特性和粒子的特性又有什么本质区别呢？粒子的特性表明该物质在一特定时刻处于空间一个确定的位置，而波特性则可以让该物质（比如说一个电子）在某一时刻处于一个区域，而具体存在的位置则只能由概率表示，形象说就是从一个确定的点变成迷迷糊糊的一团雾。

但这种雾蒙蒙不确定的状态一但被观察，则就消失而变成一种确定的状态。

01

—

粒子与玩具

要真正理解这个波是非常困难的。物理学家用一种数学函数来表示，但他们之间的解释也经常是相互矛盾。问题的原因是里面出现的现象特别诡异。

要理解这种诡异，我们先想想电影《玩具总动员》(Toy story)。这部电影里有许多玩具，那些玩具，当小孩子在看它们的时候，就是我们熟悉的玩具，任小孩子拿在手里玩耍，没有真正的生命力。可一但没有任何一个人（包括大人小孩）在看着这些玩具时，它们每一个都马上有了生命，可以互相说话，到处跑动。只是一旦人一看它们，它们立刻又一动不动变成了死玩具。

微观世界的粒子也是这样，当没有任何东西观察它们时，它们到处乱跑，可以同时呈现出不同的状态，处于不同的位置。可一但观察它们时，它们就老老实实呆在一个固定的地方。也就是说观察本身不仅确定它们的状态，也剥夺了它们可以同时处于多种状态的这种奇妙特性。为了让它们处于这种奇妙的多状态形式，唯一的办法就是放弃观察。量子计算机就是基于这样一个机制设计的。量子计算机超强的计算能力来自于一个粒子可以同时处于多种不同状态，而这种状态一但被观察就被破坏。所以科学家们不能观察量子计算的计算过程，一定要等它计算完毕才可以观察这个结果。

这一点和我的一个个人经验有相通之处。我喜欢围棋，我经常在网上看围棋大赛现场直播。然而我发现重要比赛一但看现场直播，我所支持的中国选手往往就输掉比赛。而如果不看比赛直播，只等到比赛结束时去看结果，往往中国选手可以赢。难道是我的线上观战影响比赛结果吗？理性分析这是不可能的，以往的经验不过是一种巧合罢了。然而量子世界中观察对事件的结局却起着真实的作用。

因为这些量子世界的诡异现象只在微观世界中才出现，人们无法在宏观世界来经验这些现象。而一位著名物理学家薛定谔则设计了一个思想实验（就是只能在脑子里想，现实做不出来的实验）说明量子世界的神奇特性可以影响宏观世界。

02

—

可怜的喵

他的实验涉及了一只可怜的猫。这只猫被关在一个密闭金属盒子里。这个盒子里还有一只装有剧毒氰化物的瓶子和一个铁锤。这只阴森森的铁锤悬在瓶子上空随时可以掉下来砸碎瓶子把猫毒死（如此残忍的实验居然没有遭受动物保护组织和爱猫者协会的投诉真是令人感觉诧异）。这只铁锤由一种元素衰变时射出的粒子所控制。在量子状态下，这个粒子可以同时处于触发和不触发铁锤的状态。这也就意味着这只猫会同时处于死了还是没死这两种状态。

当然，一但科学家打开容器进行观察，这种玄而又玄的量子状态将会瞬间崩溃，于是科学家只可能看到一只毒死的猫或者是一只没有毒死的猫。他们无法看到一只同时被毒死又同时还活着的猫。正如《玩具总动员》中的孩子无法看到活蹦乱跳到处跑的玩具一样。因为无论孩子们以多么快的速度突然把视线转向玩具，那些玩具都能以更快的速度瞬间凝固成没有生命力的死玩具。

《玩具总动员》中的情节不过是幻想，但如何解释这只猫。它是如何从一只又死又活的猫瞬间变成一只百分之百的活猫或死透了的猫尸体让人百思不得其解。当然我们不必为自己想不清楚这个问题而感觉羞愧，因为爱因斯坦也搞不清楚。他老人家不能承认一只猫可以处于同时又死又活的状态，所以提出“上帝不会掷骰子”这个有趣的说法，不过遗憾的是他也没有办法找出一个另人信服的解释，他企图设计一个更巧妙的实验来论证他的想法，不过没有成功。

对于薛定谔的猫这个难题有两种比较有影响力的解释，一种是比较主流的哥本哈根诠释。取这个名字的原因是因为两位大名鼎鼎的物理学家海森堡和波尔在哥本哈根的研究提出这个解释。他们认为观察造成了所谓的波函数坍塌。形象说就是量子状态如同一个充气的气球，观察相当于给气球戳了个洞，所以瞬间缩成一小块橡胶片。这个解释的难点在于宏观世界中，物质运动速度受上限光速的影响。这个瞬间坍塌突破了光速极限，也正是这个原因让大佬爱因斯坦（正是他的狭义相对论提出光速是物质运动上限这个命题）对这个解释很不满意。

另一个解释则是更富浪漫色彩的多宇宙解释。这个解释认为一旦出现观察，这个宇宙就会同时分成好几个平行宇宙，每一个平行宇宙会呈现一种观察状态，比如一个发现死猫，一个发现活猫。但分开的平行宇宙之间将无法再有任何信息交流。这个解释是不是很玄幻。

03

—

为什么是喵？

总之薛定谔的猫为人们开启了一个丰富的想象空间。什么叫做被观察？这个猫本身难道不会观察自己吗，而非要等到科学家来打开盒子？另外为什么要把可怜无辜的猫放到盒子里，而不把薛定谔本人放到盒子里？这样他会不会发现自己同时处于死亡和还活着两种状态呢？

总之，当人们认为科学的发展已经帮助人类更多地认识这个世界时，殊不知只是让人们发现自己更加无知。现代物理学和天文学已经发展到这样一个地步，似乎不引入玄学和东方神秘主义就再难前进一步。

猫儿这么可怜，来，看看快递能好受么？