神奇但不神秘的量子力学|猫的生死谜团，薛定谔挑战量子世界

玻尔曾经说过这样一句名言：如果有人第一次听到量子力学而不感到困惑的话，说明他没有听懂。

是的，在量子力学中有非常多冲击人们传统观念的现象。比如：在微观世界，一个量子的状态可以处在叠加态之中。玻尔的这个观念在刚刚被提出的那会儿，有许多科学家非常反对。其中有一位著名的科学家薛定谔，他是坚定的反对者之一。他想出了一个直到今天依然被人们津津乐道的思想实验——薛定谔的猫，来反驳玻尔的观点。

在讲解这个思想实验之前，我要先给你解释一个概念，就是“原子衰变”。原子是构成万物的微小粒子，如果你把一根铁丝不断地分割，你就能得到构成铁丝最小的单元——铁原子。而铁原子本身还可以进一步分割成更基本的粒子，如质子、中子和电子。科学家们按照原子核中的质子数对原子们编号，质子数相同的原子会被视为同一种元素。目前已知的元素种类已经超过了118种。并非所有原子都是稳定的，那些不稳定的原子会自发地释放出能量或粒子，并转变成其他原子核。这一过程很像是一个原子的衰老过程，所以叫做“衰变”。

原子衰变是一种随机发生的现象，一个不稳定的原子核在任何时刻都有一定的概率发生衰变。比如，一个铀原子衰变还是不衰变存在着不确定性。按照玻尔的观点，在我们测量一个铀原子之前，它就处在了衰变与不衰变的叠加态中，只有当我们去测量的时候，才能知道它到底有没有衰变。（当然，尽管单个原子核的衰变是随机的，但在大量原子核组成的样本中，衰变过程具有统计学上的规律。比如说，一块含有大量原子的物质，就可以统计出一半的原子核发生衰变所需的时间，这就叫半衰期。）

薛定谔对玻尔的这种“叠加态”解释非常不屑：原子怎么可能是同时处在衰变和不衰变的叠加态呢？我们来做个思想实验。

想象一下，如果我们把一只猫关在一个密闭的盒子中，然后，在盒子中放一个毒气瓶，瓶子的上方有一个精巧的机关，这个机关又连着一把锤子。这个机关是否触发就看机关中的铀原子是否衰变，如果衰变，机关就会被触发，锤子落下，毒气瓶被打破，毒气释放，猫就死了。玻尔老弟，按照你的说法，铀原子在被测量之前，是处在了衰变和不衰变的叠加态，那么，我是不是可以说，这只猫也是处在了生与死的叠加态了呢？请你先给我解释一下一只又生又死的猫到底是一种什么样的存在状态吧？

薛定谔的这个思想实验就是大名鼎鼎的薛定谔的猫。几十年以来，科学家们为此争论不休。但总体上来说，大多数科学家并不认为薛定谔的猫驳倒了玻尔的理论。

有科学家指出，薛定谔忘了一个重要的关键性问题，他假设原子衰变，机关就被触发，原子不衰变，机关就不被触发。但问题是，他没有说清楚原子处在叠加态时，机关是触发还是不触发啊。

你看，这个锅又甩回给了薛定谔，他只要一说清楚机关是触发还是不触发，那么猫也就是有了确定的生死状态，薛定谔的难题自然也就被消解了。

以及，还有科学家说：处在生死叠加态的猫也不荒谬啊，你又不是猫，你凭啥就说荒谬呢？

总之，关于薛定谔的猫，到今天也还是众说纷纭。不过，不论大家怎么认为，玻尔的理论经受住了严苛的实验检验，到今天也还没发现这个理论有什么错误。

量子力学神奇但不神秘，它是可以被我们理解的。尽管人类还面临着许多未解的难题，但未来解答这些难题依然还是只能靠科学，而不是宗教或哲学。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者： 科学声音

审核：北交大物理实验室高级工程师 周晓亮

出品：中国科协科普部

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