薛定谔的猫：物理学史上最怪诞的思想实验

taotao_2016 2021-12-14

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在科学构建的理论体系中，我们不属于这个物质的世界。我们不在这个世界中，在世界之外，我们只是世界的观察者。而认为我们在这个世界的原因是我们的身体在这个世界，不仅仅我的身体，我周围的朋友、猫、狗、房子和所有的生物都在这个世界里，这也是我跟他们交流的唯一途径。

—— 埃尔温·薛定谔（1887–1961）

图一薛定谔方程

量子力学中有许多历史悠久的思想实验，其中大多数都是用来指出量子力学中的破绽。理论物理学家、量子力学的先驱之一埃尔温·薛定谔设想了这样一个思想实验：

把一只猫关在装有放射源及有毒气体的封闭容器里。放射源在单位时间内有一定的几率会发生衰变，当检测到放射源衰变时，有毒气体就会释放，猫就会死；如果放射源没有发生衰变的话，猫就存活。

量子力学中的哥本哈根诠释（Copenhagen interpretation）指出：物理系统的属性并不是确定的，只能用量子力学的概率术语来衡量系统的属性，而且测量的行为会对系统产生影响，造成概率集缩小到许多可能值中的一个，这种情况被称为波函数坍缩（wave-function collapse）。

举例来说：在你看月亮之前，月亮是任意可能的状态，比如说满月、半月、新月等。但是只要你一看，月亮就会坍塌到一种可能的状态。因此，观测这种手段，在量子力学中扮演着重要的角色。考虑上面的思想实验，这意味着过了一段时间之后，猫同时活着和死去。当你向盒子里面看的时候，这瞬间你就会看到猫是活着或是死了，而不是既死去又活着。

这里有一个问题，那就是量子叠加态是什么时候结束的，什么时候坍塌到其中一种可能的状态？量子叠加不适用于大型物体，比如说猫，因为生物并不能同时活着和死亡。因此，薛定谔判定，哥本哈根诠释必然存在内在的缺陷。薛定谔的猫试图通过扩大哥本哈根诠释的规模来指出这个解释到底有多奇怪。

你有一个装着猫的盒子，盒子里有一个满足这样设定的处于叠加态的粒子：当粒子处于一个状态时，猫会中毒死亡；当粒子处于另一个状态时，猫会平安无事。

由于猫的存活状态由粒子的状态决定，那么如果粒子是处于叠加态，猫也一定处于叠加态。

图二哥本哈根诠释

根据哥本哈根诠释，猫实际上是既活又死的，当你打开盒子看的时候，猫才会处于一个状态。这里有一个关于观测（observe）的重要问题：猫是观测者么？

为了理解这个，需要先理解“观测者”的概念。量子力学中的观测者跟观测者效应紧密相关——其中观测的行为必然会跟被观测的物体存在相互作用，在相互作用中影响物体的特性。猫和打开盒子的人一样有权被称为观测者，因为它一定可以根据是否存在有毒气体来判断粒子是否发生衰变。猫会持续地观察盒子里面的空气，会永久地将装有毒气体的小瓶坍塌到“破碎”或者“完整”的状态。

这并不像看起来的那样好理解。

这里，打开盒子的人和盒子里面猫都可以看做是观测者或者非观测者。按照这个逻辑，释放毒气的瓶子可以算作是勘测衰变的测量装备，因此也可以被视为观测者或是探测器么？它不是在不断地使放射性同位素的波函数坍塌么？在链式反应的哪个点上叠加被破坏了呢？

这引出了另一个问题：观测者到底是什么？任意一个物体都可以被看做是观测者吗？如果一切都是观测者，为什么我们会看到量子效应？

为了解决这个问题，美国物理学家休·埃弗雷特（Hugh Everett）提出了一种美丽的诠释，称为量子力学的多世界诠释（Many-Worlds Interpretation），该解释于1957年首次发表在他的博士论文中。

图三休·埃弗雷特（右二）（从左到右：查尔斯·米斯纳、黑尔·特罗特、尼尔斯·玻尔、戴维·哈里森）

诠释认为，一般的波函数是客观真实的，不存在波函数坍缩。这意味着量子测量的所有可能结果都在某些“世界”或宇宙中物理实现。因此，这个奇怪的想法从另一个角度看待整个思想实验，表明量子力学中“薛定谔的猫”悖论是一系列事件，每一个量子事件都是分支点。即使在盒子打开之前，猫也有活着或者死亡的情况，但这些“活着”或者“死去”的猫在宇宙的不同分支中都是真实存在的，但彼此之间并不关联。