愛華網(wǎng)薛定諤的貓：一只同時既是生又是死的怪貓
薛定諤的貓（英語：Erwin Schr?dinger'sCat），是奧地利物理學者埃爾溫·薛定諤于1935年提出的一個思想實驗，時常被表述為一個悖論。通過這思想實驗，薛定諤指出了應用量子力學的哥本哈根詮釋于宏觀物體會產(chǎn)生的嚴峻問題，以及這問題與物理常識之間的矛盾。在這思想實驗里，由于先前發(fā)生事件的隨機性質，貓會處于同時既生又死的矛盾態(tài)。[1]
根據(jù)退相干（量子觀測互擾）理論，貓不可能永遠處于同時生存與死亡的矛盾態(tài)，由于環(huán)境的影響，很快地會產(chǎn)生退相干效應，貓改而處于生存或死亡的經(jīng)典統(tǒng)計學狀態(tài)。因此，一般而言，絕對無法觀察到這生存與死亡的疊加態(tài)。至今為止，物理學者只能精心制備出一些介觀物體的疊加態(tài)。
雖然這思想實驗是個假想實驗，類似原理已被研究與運用在實際應用領域。當理論研討量子力學的詮釋問題時，這思想實驗也時常會被特別提出為試金石。
1935年，薛定諤原本目的是在用這思想實驗來討論EPR吊詭（因發(fā)表者阿爾伯特·愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基、納森·羅森而命名）。[2]EPR論文凸顯了量子糾纏的怪異性質。假設兩個量子系統(tǒng)相互作用，然后彼此分離，但其中任意系統(tǒng)都不處于明確態(tài)，則它們的量子態(tài)會矛盾地疊加在一起，共同形成的量子態(tài)具有量子糾纏特性。根據(jù)哥本哈根詮釋，當其中任意系統(tǒng)被測量之時，則兩個系統(tǒng)糾纏在一起的量子態(tài)會坍縮為明確態(tài)。那時，薛定諤與愛因斯坦?；ハ嗤ㄐ?，交換意見，研討EPR論文的相關問題。在愛因斯坦寫給薛定諤的8月8日信件中，他勾勒出一個“粗略宏觀案例”：給定一桶不穩(wěn)定的火藥，在經(jīng)過一段時間后，這桶火藥會處于爆炸與不爆炸的矛盾統(tǒng)一（疊加）狀態(tài)。[3]
為了更進一步說明這現(xiàn)象，薛定諤回信描述原則上怎樣能夠將原子系統(tǒng)的矛盾疊加態(tài)轉移至大尺度系統(tǒng)。他提出一個思想實驗，假設把一只貓、一個裝有有氰化氫氣體的玻璃燒瓶和一個放射性原子核放進封閉的盒子里。貓的性命因此與原子核的狀態(tài)密切相關。薛定諤表明，根據(jù)哥本哈根詮釋，在實驗進行一段時間后，貓會同時處于活狀態(tài)與死狀態(tài)（對于盒子外的世界而言），直到盒子被打開為止。薛定諤并不想要推銷周旋于生死之間的貓這點子；恰恰相反，這吊詭采用的是一種經(jīng)典反證法，[4]試圖借此顯露出描述量子態(tài)所需倚賴的量子理論尚存瑕疵。薛定諤的貓實驗原本是專門設計來批駁哥本哈根詮釋（在1935年的主要正統(tǒng)詮釋）?，F(xiàn)今，它仍舊是詮釋量子力學的典型試金石。每一種詮釋處理薛定諤的貓實驗的共同與特別之處，時常會被物理學者用來說明與比較這詮釋的共同點、特別點、強點、弱點。
薛定諤如此描述這實驗：[4][5]實驗者甚至可以設置出相當荒謬的案例。把一只貓關在一個封閉的鐵盒子里，并且裝置以下儀器（注意必須保固這儀器不被貓直接干擾）：在一臺蓋革計數(shù)器內(nèi)置入極少量放射性物質，由于數(shù)量極少，在一小時內(nèi)，這放射性物質至少有一個原子衰變的概率為50%，沒有任何原子衰變的概率也同樣為50%；假若衰變事件發(fā)生，則蓋革管會放電，通過繼電器啟動一個榔頭，打破裝有氰化氫的燒瓶。經(jīng)過一小時以后，假若沒有發(fā)生衰變事件，則貓仍舊存活；否則貓已死亡。整個系統(tǒng)的波函數(shù)表達出活貓與死貓各半的狀態(tài)。類似這典型案例的眾多案例里，原本只局限于原子領域的不明確性被輾轉傳遞為宏觀不明確性，只有通過直接觀察才能解除這不明確性。它使得我們難以天真接受采用這種籠統(tǒng)模型來正確代表實體。就其本身而言，它不會蘊藏任何不清楚或矛盾的意義。但是，在一張搖晃或失焦的照片與云堆霧層的快照之間，的確有很大的不同。
薛定諤的著名思想實驗提出一個很尖銳的問題：這系統(tǒng)從什么時候開始不再處于兩種不同量子態(tài)共同組成的疊加態(tài)，轉而坍縮為其中的一種？更技術性地說，由于薛定諤方程的線性性質，它不能促使這疊加態(tài)坍縮，它只能展示這疊加態(tài)隨著時間演進而演化的可能結果。一個量子系統(tǒng)什么時候開始不再是幾個量子態(tài)的線性組合（盡管這幾個量子態(tài)中的每一個量子態(tài)都像是不同的經(jīng)典狀態(tài)，量子系統(tǒng)不能同時顯現(xiàn)為幾個經(jīng)典狀態(tài)，只能顯現(xiàn)為其中一個經(jīng)典狀態(tài)），轉而開始擁有唯一的經(jīng)典描述？這就是這思想實驗令人揣測之處。假若貓仍舊存活著，它一直只記得她存活著。但是，符合標準量子力學的詮釋竟然要求，像貓、日記一類的宏觀物體不必永久具有唯一的經(jīng)典描述。這思想實驗描繪出一幅表觀的吊詭。直覺而言，觀察者不能處于疊加的狀態(tài)；可是，從這思想實驗來思考，似乎貓可以處于疊加的狀態(tài)。是否貓也必須成為觀察者，或者，貓的存在于單獨、良好定義的經(jīng)典狀態(tài)這案例，必需要求另外有一位外來觀察者存在？
愛因斯坦覺得每一種選項都很荒謬，他特別覺得這思想實驗極具凸顯出這些論題的能力。1950年，在一封寄給薛定諤的信件里，他闡述：”只要一個人抱著誠實的科學態(tài)度，他就無法逃避實體這假設，除了勞厄以外，在當今物理學者中，只有你看到了這重點。大多數(shù)學者不了解他們對于實體所玩弄的是什么危險游戲，他們以為實驗建立的結果與實體無關?？墒?，他們的詮釋已被你的放射性原子＋放大器＋火藥＋貓這盒子系統(tǒng)精致地反駁。這系統(tǒng)的波函數(shù)既表現(xiàn)出生氣勃勃的貓，又表現(xiàn)出血肉模糊的貓。沒有任何學者會真正質疑貓的存在或缺席與觀察這動作無關。[6]勞厄指的是物理學者馬克斯·馮·勞厄。注意到在薛定諤的思想實驗里，并沒有提到火藥。他是使用蓋革計數(shù)器為放大器，使用氰化氫來代替火藥。在愛因斯坦15年前給出的原本建議里，提到了火藥。顯然地，愛因斯坦依舊牢記舊理論的驚奇威力?！?br> 各種不同的詮釋[編輯]自薛定諤的時代開始，物理學者提出了很多其它對于薛定諤的貓思想實驗的量子力學詮釋，它們對疊加態(tài)存在的時間長久、波函數(shù)什么時候坍縮或是否發(fā)生坍縮，給出了不同的答案。 量子力學詮釋中最被普遍支持的是哥本哈根詮釋。[7]按照哥本哈根詮釋，當觀察發(fā)生時，系統(tǒng)不再處于兩種狀態(tài)的疊加態(tài)，轉而坍縮為其中任意一種狀態(tài)。薛定諤的思想實驗清楚地顯露出一個事實，即在這種詮釋里，測量或觀察的概念并沒有被良好定義。這思想實驗可以被詮釋為，當盒子仍舊是封閉的時候，系統(tǒng)同時存在于“衰變的原子／死貓”和“未衰變的原子／活貓”這兩種狀態(tài)的疊加態(tài)，只有當盒子被打開，進行觀察時，波函數(shù)坍縮為其中任意一種狀態(tài)。然而，與哥本哈根詮釋有密切淵源的量子大師尼爾斯·玻爾從來都不認同觀察引起的波函數(shù)坍縮這概念。薛定諤的貓對他來說并不是什么謎題，在盒子被一個有意識觀察者打開之前，貓的狀態(tài)已經(jīng)不是活狀態(tài)，就是死狀態(tài)了。[8]
對于真實實驗的分析顯示，測量本身（如用一個蓋格計數(shù)器）就足已使量子波函數(shù)坍縮，早在一個有意識的觀察者對測量結果進行觀察之前。[9]在原子放射出的粒子擊中探測器時，“觀察”就已經(jīng)發(fā)生了，這種看法可以發(fā)展成為客觀坍縮理論。這思想實驗需要偵測器的無意識觀察才會出現(xiàn)放大效應。與之對比，多世界理論否認曾經(jīng)發(fā)生任何坍縮。
多世界理論和一致性歷史根據(jù)多世界理論，每一個事件都是分支點。不論盒子是封閉的還是敞開的，貓是活的，也是死的，但是，活貓與死貓是處于宇宙的不同分支，這些分支都同樣的真實，但是彼此之間不能相互作用。
1957年，休·艾弗雷特提出了量子力學的多世界詮釋，它不把觀察作為一個特殊的過程。按照多世界詮釋，當盒子被打開后，貓的活狀態(tài)和死狀態(tài)都仍舊延續(xù)不斷，但彼此之間發(fā)生了退相干。換句話說，當盒子被打開的時候，觀察者和貓的糾纏態(tài)被割離為兩個分支：觀察者看著盒子里的死貓，和觀察者看著盒子里的活貓。但是由于活和死的狀態(tài)發(fā)生了退相干，它們之間不會出現(xiàn)有效的信息交流或相互作用。
當觀察者打開盒子之時，觀察者會和貓發(fā)生糾纏。對應于貓的活狀態(tài)和死狀態(tài)的觀察者狀態(tài)因此分別形成。每個觀察者狀態(tài)與貓發(fā)生了糾纏，所以“對貓狀態(tài)的觀察”和“貓的狀態(tài)”彼此相互對應。量子退相干保證了不同的結果之間沒有相互作用。同樣的量子退相干機制對于一致性歷史（consistenthistories）詮釋也很重要。在這詮釋中，只有“死貓”或“活貓”可以作為一致性歷史的一部分。
羅杰·彭羅斯對此嚴厲批評："我想要說清楚、講明白，這遠遠不是解決貓佯謬的辦法。因為在量子力學形式論里，沒有任何規(guī)則要求意識狀態(tài)不能牽涉同時的對活貓和死貓的感知。"[10]但是，主流觀點（并非一定贊同多世界）認為退相干是避免這樣同時感知的機制。[11][12]
宇宙學家馬克思·特格馬克（MaxTegmark）提出了一個薛定諤的貓思想實驗的變版，名為量子自殺機器。它從那只貓的角度檢驗薛定諤的貓思想實驗，并且主張，采用這種方式或許可以分辨出哥本哈根詮釋與多世界詮釋的不同之處。系綜詮釋指出疊加態(tài)僅僅是一個更大的統(tǒng)計系綜的亞系綜。態(tài)矢量并不適用于單個的貓實驗，只適用于被類似制備的許多貓實驗的統(tǒng)計。這種詮釋的支持者表示，這使得薛定諤的貓佯謬成為了一個沒有意義的平凡論題。
這種詮釋不嘗試描述單個量子系統(tǒng)。這是一種最小詮釋，物理學者可以以這最小詮釋為基礎，在基礎的上面添加更多能夠解釋量子現(xiàn)象的理論架構。對人類實驗者、貓或儀器，或者生命系統(tǒng)與非生命系統(tǒng)之間，關系詮釋不做本質方面的區(qū)分；它們都是遵循同樣波函數(shù)演化規(guī)則的量子系統(tǒng)，都可以被視為“觀察者”。但關系詮釋允許不同的觀察者可以對相同的系列事件給出不同的描述，這些描述取決于它們所測知關于這個系統(tǒng)的信息。[13]貓可以被認為是儀器的一個觀察者；同時，實驗者可以被認為是盒子內(nèi)部系統(tǒng)（貓加儀器）的另一個觀察者。在盒子被打開之前，貓，因其天然地呈存活狀態(tài)或死狀態(tài)，擁有了關于儀器狀態(tài)（原子是否衰變）的信息，而實驗者并不擁有這信息。這樣，兩個不同觀察者同時對當前的情形有了不同的描述：對貓來說，儀器的波函數(shù)表現(xiàn)為“坍縮”；對實驗者來說，盒內(nèi)之物表現(xiàn)為疊加態(tài)。一直等到盒子被打開，兩個觀察者同樣地擁有關于到底發(fā)生了什么事情的信息，這時候，兩個系統(tǒng)狀態(tài)才表現(xiàn)為“坍縮”成同樣明確的結果，即貓是呈活狀態(tài)或死狀態(tài)中的一種狀態(tài)。根據(jù)客觀坍縮理論（objective collapsetheories），當某些客觀的物理量達到其閾值（時間、質量、溫度、不可逆性等）時，疊加態(tài)會自發(fā)地被摧毀。因此，早在盒子被打開之前，貓就已經(jīng)如同預期地處在一個明確的狀態(tài)。這可以被不嚴謹?shù)卣f成“貓觀察它自己”或“環(huán)境觀察貓”。
客觀坍縮理論要求對標準量子力學做出一些修改，使得疊加態(tài)可以被時間演化過程摧毀。應用與實驗[編輯]薛定諤的貓思想實驗是純理論實驗，所提到的實驗設置并沒有實際建成。但是，很多涉及類似原理的實驗已經(jīng)成功完成，例如介觀物體的態(tài)疊加。這些實驗并未展示出貓尺寸物體可以進行態(tài)疊加，但是它們提升了貓狀態(tài)的可能尺寸上限。在很多實驗案例里，所制成的疊加態(tài)只能短暫存在，盡管冷卻至接近絕對零度。介觀的薛定諤貓可以用來進一步做量子測量實驗，使得關于量子退相干、量子－經(jīng)典界線這一類的受控實驗，可以付諸進行。[14]
1996年，陷伏鈹離子的疊加態(tài)制備成功，這是單個原子層級的貓狀態(tài)。[15]
2010年，美國國家標準技術研究所的實驗團隊制備出光子的貓狀態(tài)。[16][17]
應用超導量子干涉儀，2000年完成的實驗成功展示出當時最大的貓疊加態(tài)。在超導量子干涉儀的超導循環(huán)以兩種可能方向流動的電流形成了這貓疊加狀態(tài)。這微安培數(shù)量級的電流涉及了上億個電子，圍繞著大約有人發(fā)那么粗的循環(huán)移動，在量子尺寸來說，可以算是宏觀系統(tǒng)。[18][19]
2010年，阿龍·奧康奈爾制成壓電音叉，這是全世界第一臺量子機器，能夠處于振動態(tài)與非振動態(tài)的疊加。該共振器約含有1013個原子。[20]
2010年，德國馬克斯·普朗克量子光學研究所物理學者提議，使用當前科技，應該可以成功制備出流行性感冒病毒的疊加態(tài)。[21]
這些實驗演示出介觀尺寸的薛定諤貓，但是，老鼠尚未被抓到，物理學者仍舊不清楚這貓疊加態(tài)怎樣坍縮為單獨本征態(tài)，是什么機制促成了獨一無二的宏觀世界？更多內(nèi)容，請參閱條目量子退相干。
薛定諤的貓衍生出了諸多文化產(chǎn)物，例如：電視劇《生活大爆炸》中，薛定諤的貓多次出現(xiàn)，使得愛好者將薛定諤的貓制成了T恤；
《薛定諤的小貓》，即初音未來的曲子之一。[22]
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