薛定谔的猫：物理学史上最怪诞的思想实验

在科学建构的理论体系中，我们不属于这个物质世界我们不在这个世界，不在这个世界之外，我们只是这个世界的观察者我认为，我们之所以在这个世界上，是因为我们的身体在这个世界上，不仅是我的身体，还有我的朋友，猫，狗，房子，以及我周围的一切生物，这是我与他们交流的唯一途径

—欧文·薛定谔

图1薛定谔方程

量子力学中有很多历史悠久的思想实验，大部分都是用来指出量子力学中的瑕疵。理论物理学家，量子力学的先驱之一欧文·薛定谔构想了这样一个思想实验:

把猫养在有放射源和有毒气体的密闭容器里放射源在单位时间内衰变是有一定概率的当检测到放射源衰变时，会释放有毒气体，猫会死亡，放射源不衰变，猫就活了

量子力学中的哥本哈根解释指出，物理系统的性质是不确定的，只能用量子力学的概率项来度量系统的性质此外，测量的行为将对系统产生影响，导致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

比如，在你看月亮之前，月亮处于任何可能的状态，比如满月，半月，新月等但是你一看，月亮就会坍缩到一个可能的状态因此，观测在量子力学中起着重要的作用考虑一下上面的思想实验，意思是一段时间后，猫同时活着和死去当你往盒子里看的时候，这时你会看到猫是活的还是死的，而不是既死又活的

这里有一个问题，就是量子叠加态是什么时候结束的，什么时候坍缩到可能的状态之一量子叠加不适合大型物体，比如猫，因为生物不能同时生和死因此，薛定谔认定哥本哈根解释必然存在固有缺陷薛定谔的猫试图通过扩大哥本哈根解释的尺度来指出这种解释有多奇怪

你有一个盒子，里面有一只猫，有一个处于叠加态的粒子满足以下设定:当粒子处于一种状态时，猫会中毒而死，当粒子处于另一种状态时，猫就安全了。

因为猫的生存状态是由粒子的状态决定的，如果粒子处于叠加态，猫也一定处于叠加态。

图2哥本哈根诠释

根据哥本哈根的解释，一只猫实际上既活着又死了当你打开盒子看的时候，猫会处于一种状态这里有一个关于观察的重要问题:猫是观察者吗

为了理解这一点，我们需要首先理解观察者这个概念量子力学中的观察者与观察者效应密切相关，其中被观察的行为必然会与被观察的物体发生相互作用，在相互作用中会影响物体的特性猫和打开盒子的人一样有被称为观察者的权利，因为它当然可以根据有毒气体的有无来判断粒子是否衰变猫会不断地观察盒子里面的空气，会把装有有毒气体的小瓶永久性地塌陷到破碎或完整的状态

这并不像看起来那么容易理解。

在这里，打开盒子的人和盒子里的猫都可以被视为观察者或非观察者按照这个逻辑，释放毒气的瓶子可以看作是检测衰变的测量装置，那么是否也可以看作是观测器或者探测器呢不就是不断坍缩放射性同位素的波函数吗叠加态在连锁反应的哪一点被破坏了

这就引出了另一个问题:观察者到底是什么任何物体都可以被视为观察者吗如果万物都是观察者，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·埃弗雷特提出了一个漂亮的解释，叫做量子力学的多世界解释，这个解释最早发表在他1957年的博士论文中。

图3休·埃弗雷特

认为一般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是在某个世界或宇宙中物理实现的所以这个奇怪的想法从另一个角度看整个思想实验，说明量子力学中薛定谔猫的佯谬是一系列事件，每个量子事件都是一个分支点即使在盒子被打开之前，猫也是活的或死的，但这些活的或死的猫在宇宙的不同分支中都是真实存在的，只是它们之间没有血缘关系

图4:两个叠加纠缠的量子力学态导致的宇宙分离。

1935年，诺贝尔物理学奖得主，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔提出了这个例子，指出量子理论家认为的微观层次上的物质的性质和行为，与普通人认为肉眼可见的宏观层次上观察到的物质的性质和行为之间存在着不合逻辑的矛盾。

图5欧文·薛定谔

多年来，薛定谔的猫一直被用作类比，以说明量子力学中新兴理论之间的差异比如在多世界解释理论中，猫既是死的又是活的，因为观察者和猫代表了两种现实:一只猫死了，另一只猫活了据说薛定谔自己在晚年也说过，他希望自己从来没有见过那只猫

在观察一个非常微观的世界时，粒子和波同样重要在这个尺度上，我们不能用已知的经验来判断事物的运动规律...所有的经验都是错误的，也没有类似的物理例子来比较原子内部发生了什么这个时候原子就像原子一样，没有其他的比喻

约翰·格里宾

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