世纪“悬案”：把猫关进箱子，再放一瓶毒药，猫会怎么样？

你或许听说过“量子力学”这门学科 ，也听人说过“薛定谔的猫”，这是一只被关在盒子里的不同寻常的“猫”，它既可能是“死”的，又可能是“活”的。

等等，这是怎么回事？怎么可能有一只猫既是“死”的，又是“活”的呢？

昨天，恰逢理论物理学家埃尔文·薛定谔诞辰 135 周年，让我们来好好聊聊他这只既“死”又“活”的猫，以及“薛定谔的猫”这近一百年来是如何被人们用错的。

埃尔文·薛定谔，图片来源：Wikipedia

首先咱要声明，薛定谔的“猫”并不是一只真的“猫”，薛定谔没有真的把猫给弄成这状态，那属于虐待动物了。

“薛定谔的猫”其实是薛定谔提出的一个思想实验，而且还是一个使用了反证法、用来驳倒论敌的思想实验：他认为，如果论敌的说法成立，那就会导致一只猫同时处在死和活的状态，这是十分荒谬的、一看就知道不可能的。由此可见，论敌的说法一定不成立。换句话说，薛定谔本人并不相信这猫既“死”又“活”。

所以“如薛定谔的猫一样”这句话用来形容一件事情很“荒谬”似乎更贴近薛定谔提出它时原本的意思。

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但薛定谔为啥要费劲设计这么一个思想实验，他要驳倒的论敌是谁呢？是量子力学的哥本哈根解释。

量子力学是诞生于20世纪的新学科，它是主宰微观世界的物理规律。它发现了许多非常反直觉的现象，比如说，一个物理量好像可以是以概率的方式存在的：有时候测出来是一个值，有时候测出来却是另一个值。

这很奇怪。日常生活里，如果你让一个小球旋转起来，那旋转方向是左旋还是右旋应该一眼就能看出来，没有任何疑问。在量子力学的世界里，你的仪器测量倒也能清楚地给出答案，可是两个看起来完全一样的球，给出的答案却不一样。

如何解释这个现象呢？量子力学里，粒子可以存在于一种“量子叠加”的状态下，也就是可以既左旋又右旋。而当粒子和外界环境产生关联，比如说被人类测量的时候，哥本哈根解释认为这种叠加态会发生“坍缩”，也就是按照概率变成其中一种具体的状态。

这确实可以解释量子力学遇到的迷惑情况，但总有种欺负人的感觉。如果一个状态一测量就消失，凭什么还说它存在呢？很多著名物理学家，包括爱因斯坦和薛定谔，都无法接受这个观点。

在和爱因斯坦讨论过几轮之后，薛定谔觉得自己抓住了问题的关键，而薛定谔的猫，就是他对哥本哈根解释的反驳。

他说，想象一下我们把一只猫关进与外面世界完全隔绝的箱子里面，箱子里装一瓶毒药，毒药上连动一个机关，只有被放射线打到的时候机关才会启动，打开毒药的盖子，把猫毒死。然后，我们把几个放射性原子放在机关边上，等待一小段时间，问猫会怎样？

薛定谔的猫思想实验，图片来源：Wikipedia

放射性原子衰变释放出放射线，这个过程是量子力学掌管的。按照哥本哈根解释，只要不去观察，那么原子就处于衰变和没衰变的叠加态。依此类推，放射线也应该处于有和没有的叠加态，机关也应该处于启动和没启动的叠加态，毒药处于释放和没释放的叠加态。所以，猫也处于死了和活了的叠加态，只有开箱的时候才能见分晓。薛定谔认为，猫的死活叠加是明显荒谬的，所以反过来可以一路往上推，证明原子的叠加也是有问题的。

不过，这终究还是他的主观观点。毕竟谁也无法真的做出一个与世隔绝的箱子来验证这一点。猫走动的声音，猫的体温，甚至猫的呼吸引发的气压变化，都能透过箱子传播到外界环境里，都能让人不开箱就测量出猫的死活。

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薛定谔的猫这个思想实验提出之后，其他物理学家也纷纷提出了自己的量子力学解释。例如退相干历史认为，当放射线打到机关上的时候，就是量子态与环境发生作用产生了退相干，紧接着测量和坍缩就已经发生了，和人打没打开箱子没有关系，所以只有原子本身会处于叠加态，猫不会。猫的死活是两个完全独立的历史，互不影响。

甚至还有多世界解释，认为原子衰变的时候其实创造出了两个不同的世界，一个世界里衰变发生了，猫死了，另一个世界里衰变没发生，猫还活着。两个世界尽管大相径庭，却是同一个世界在两个正交方向的“投影”。到底哪一种解释是正确的呢？因为每个解释最后导致的物理学现象都一样，实验上无法分辨，答案或许已经超出了物理学的范围。

审稿：张文卓 夸密量子 CEO、原中国科学技术大学墨子号团队副研究员

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