薛定谔猫态 违背常识、颠覆认知，终于有人把薛定谔的猫讲明白了

引言:20世纪30年代中期，新兴量子论的一些奇怪方面变得明显，薛定谔进行了一次意识形态实验，即“薛定谔的猫”。他试图证明量子纯数学中一定缺少了什么。他认为“猫不可能处于生死叠加的状态”是一个基本事实，所以量子纯数学肯定忽略了一些因素。

关于量子理论最有争议的命题出现在对量子理论的解释中。解释性命题更多的是哲学命题，很大程度上与“事实和数学背后的现实是什么”这个问题有关。要探讨这个解释学命题，我们先从一些背景材料开始。

译者:孙天

本文摘自《世界观:现代人必须了解的科学哲学和科学史》。如需转载，请联系我们

背景讨论:越想越迷茫

假设我们有一个实验装置。假设一个光子枪可以发射出一个单光子，我们把光子发射到分束器，也就是部分涂有银膜的镜子。我们将在分束器后面放置两个光子探测器。为了讨论方便，我们假设光子探测器只要探测到一个光子就会发出“嘟嘟”声。这个实验装置如图25-15所示。

▲图25-15分束器实验装置

假设我们有一个按钮，每按一次按钮，就会有一个光子发射到分束器。这种情况的量子事实是毋庸置疑的，就是我们每按一次按钮，探测器A和探测器B中就会有一个探测到光子，但两个探测器永远不会同时探测到光子。

另外，如果我们继续发射和探测光子一段时间，发射的光子会有50%的时间被探测器A探测到，另外50%的时间被探测器B探测到。

换句话说，探测器A发出50%的蜂鸣声，探测器B发出50%的蜂鸣声，但两个探测器绝不会同时发出蜂鸣声。

同样，量子纯数学所做的预测也是毫无疑问的。量子纯数学的预测是，每按一次按钮，探测器A和探测器B各有50%的概率探测到光子。总之，预测和事实是一致的。

这再一次表明，事实和数学本身是不容置疑的。不过，请考虑一些与解读相关的命题。

如果试图用一种直接明了的方式去解读量子纯数学，会得到什么结果？再想想图25-15所示的实验设置。假设我们按下一个按钮，发射出一个光子，对应的量子纯数学将如何表达？

按下按钮后，整个系统的状态用波函数表示。这个状态会根据薛定谔方程随时间变化。薛定谔方程将为我们提供系统在任意时间点的状态表达式。因此，假设我们在任何一个探测器探测到光子之前都在研究系统状态。

就在任何探测器探测到光子之前，数学代表的是处于“叠加”状态的电子。在叠加态，一个态表示电子向探测器A运动为一系列波，另一个态表示光子向探测器B运动为一系列波。

但是，请记住，两个检测器永远不会同时发出蜂鸣声。事实上，只有一个检测器(A或B)会同时发出蜂鸣声。假设在这个例子中，探测器A环，这意味着它已经探测到一个光子。这本身并不特别令人困惑。毕竟，两个叠加态中的一个，似乎代表着一串波向探测器a移动。

但是探测器b呢？回想一下，两个叠加态中的一个代表一列波向探测器B运动，那么这个态发生了什么？为什么探测器b没有发出同样的嘟嘟声？至少，如果我们试图尽可能直接、清晰地解读相关数学，那么波似乎正在向探测器b移动，现在这个波到底怎么了？

这个例子说明了所谓的测量问题的一些方面。测量是与量子理论解释相关的最令人困惑的命题之一。接下来，我将尝试概述一下测量问题中涉及到的一些命题和问题。但是，我会鼓励你始终关注围绕测量的有趣命题和问题。

作为热身，我想讨论两点。

第一，度量问题通常一开始看起来不是什么大问题。换句话说，实现测量问题通常需要一些时间。但是，越想度量问题，越会发现困惑。

其次，在某些方面，可以用许多不同的方式来看待测量问题。从某种意义上说，这些不同的方法是同一问题的不同方面，但每种方法都强调这些令人困惑的命题的不同方面。

一般来说，与测量问题相关的一个事实是，如果我们试图用一种相对直接和清晰的方式来解释量子纯数学，在测量量子系统时会出现一些奇怪和违反直觉的情况。

量子纯数学通常把一个系统表示成状态叠加的状态。例如，在上面的例子中，当我们进行测量时，我们会观察到探测器A和B中的一个发出嘟嘟声。

无论哪个探测器发出声音都会带来一个问题，那就是另一种状态下发生了什么？测量是让叠加的两种状态“坍缩”还是“减少”(这是两个常用术语)变成单一状态？如果是，一个有分寸的动作怎么会有这样的效果？在这方面，测量设备是什么？测量设备和非测量设备有什么区别？

毕竟，当我们认为它是一种测量时发生的物理效应和当我们认为它不是一种测量时发生的物理效应之间似乎没有根本的区别。那么，如何才能找到测量设备与非测量设备，测量与非测量之间的原理区别呢？

这些问题没有一致的答案。重申一下，在衡量的时候，似乎会发生一些奇怪的情况，对于发生了什么，如何解读还是有争议的。如果先介绍薛定谔的猫思想实验，就比较好讨论了。

根据我们到目前为止的讨论，你可能会忍不住认为量子的奇异性质只存在于微观实体中，比如光子、电子和类似的实体，而不存在于你、我、我们的房子和汽车存在的宏观世界中。

为了说明情况没有那么简单，我们来想想薛定谔的猫，这是一种非常著名的小动物，在大多数关于量子理论的讨论中都可以找到。

与上述叠加态的实验相比，薛定谔的猫并没有带来多少新的问题，但这只猫确实突出了这种状态的偏心，并且表明这些偏心不一定局限在微观层面。薛定谔的猫也有助于说明我们稍后将讨论的解释的一些特征。

薛定谔的猫:既死又活？

20世纪30年代中期，新兴量子理论的一些奇怪方面变得明显，薛定谔进行了一次意识形态实验来进一步解释它。顺带一提，思维实验，顾名思义，就是要求我们一路思考，而不要求我们进行实际操作的实验。

薛定谔让我们想象有一只猫在一个密封的盒子里，里面有微弱的放射源。

具体来说，这个放射源在一小时内释放出放射性粒子的概率是50%。如果放射源释放出放射性粒子，粒子会触发探测器，探测器触发后会打开一小瓶毒药，可以毒死盒子里的猫。

顺带一提，当提到光子、电子、放射性粒子等量子实体时，通常用“粒子”这个词来指代。但是，通过前面的讨论，我们应该已经明确，在提到量子实体时，使用“粒子”或“波”并不完全正确。

我会继续用“粒子”这个词，因为这是一个标准做法，但不能解释为我对量子实体是否实际上是粒子而不是波这个问题的回答。

当然，薛定谔的意图绝对不是虐猫。重申一下，这是一个意识形态的实验，而不是一个要实际实施的实验(如果你仔细想想这个实验，你会发现它不会产生任何有趣的数据)。

事实上，薛定谔的目的是将微观层面的怪异与宏观层面的事件联系起来。同时，薛定谔还试图提出一个论点来反驳量子理论的一个具体解释，我们接下来会讨论。

为了更好的理解薛定谔的猫思想实验，我们可以考虑一个和它略有不同的实验，其中对实验设置进行了修改，如图25-15所示。这个实验装置的结果与薛定谔的原始论文中的结果相同，但是使用这个修改的实验装置将简化我们的讨论。

想象一下，我们把图25-15所示的实验装置放在一个不透明的大盒子里。同时，我们会在盒子里放一只猫。我们会同时把光子探测器A和一小瓶毒药连接起来，但不会像薛定谔最初的思想实验那样连接探测器B。

也就是说，如果探测器A探测到一个光子，它就会打开毒瓶，里面的毒药会把猫毒死。另一方面，如果探测器b探测到一个光子，什么也不会发生。整个实验装置如图25-16所示。

▲图25-16薛定谔的猫

假设整个实验装置，包括猫和其他东西，都在一个密封的盒子里，所以我们看不到盒子里发生了什么，不能确定两个探测器中是否有一个探测到光子，也听不到盒子里的任何声音。但是，我们留下了控制光子枪释放盒外光子的按钮。

现在，基于这个实验设置，假设我们按一次按钮，几秒钟后开始思考整个情况，这样我们就有足够的时间让光子到达探测器的位置。

回想一下，态随时间的演化遵循薛定谔方程，它代表叠加态。这种情况下，涉及的两种状态之一是探测器A探测到光子，另一种状态是探测器B探测到光子。

但请回忆一下，如果光子被探测器A探测到，毒瓶里的毒就会释放出来，结果猫中毒了。另一方面，如果光子被探测器B探测到，猫就会安然无恙。所以现在的状态叠加似乎涉及到两种状态:一种是猫死了，一种是猫安然无恙。

换句话说，如果我们想知道盒子里发生了什么，量子论似乎表达了猫处于死猫和活猫的叠加状态。

同样，与图25-15中讨论的光子态叠加相比，原则上没有区别。但是薛定谔已经把微观层面的诡异转移到了宏观层面。

值得一提的是，薛定谔试图说明量子纯数学中一定有缺失。他认为“猫不可能处于生死叠加的状态”是一个基本事实，所以量子纯数学肯定忽略了一些因素。

薛定谔试图修改量子理论，从而完成他认为猫实验揭示的缺失因素。他的努力最终形成了对量子论的一种解释，也就是通常所说的隐变量解释。

也就是说，这种解释背后的关键点在于，量子理论并没有把握现实的真实表象，如上所述，所以需要在理论中加入一些因素(所谓的隐变量)，使之更符合我们对现实的直觉。

与隐含变量解释相反，它通常被称为标准解释，或哥本哈根解释。这两个名字相当具有误导性，因为没有单一的、定义明确的解释作为标准解释或哥本哈根解释。

到底发生了什么事？没有唯一且无可争议的答案

与隐变量的解释不同，各种标准解释的支持者认为量子论是一个完整的理论，不需要“隐变量”，也不需要增加其他内容。然而，事实上，即使是这些支持者也至少增加了一个基于上述数学的因素。

总的来说，这些支持者添加的因素就是所谓的投射假说。投影假说控制波函数的坍缩或衰减。关键是在测量之前，所有的量子实体都表示为处于态叠加的状态。

比如在测量之前，前面实验释放的光子用一个波函数来表示，这个波函数本身就是由状态叠加而成的。然而，在测量过程中，叠加的两个状态坍缩成一个新的状态，这由一个新的波函数表示。这种坍缩在数学上遵循投影假设，结果就是上面提到的新波函数。

在这个例子中，这个新的波函数表示由探测器A探测到的电子或者由探测器B探测到的电子..因此，直到新的测量发生，新的波函数才按照薛定谔方程演化。

毫无疑问，上面描述的数学，以及波函数的坍缩或投影假设，都与我们的观测非常吻合。换句话说，量子理论做出的预测是毋庸置疑的，过去70年来一直如此。然而，如果我们试图显示发生了什么，波函数的坍缩当然很难显示。

假设我们问标准解释的支持者:“发生了什么？”。例如，在图25-15所示的实验中，就在测量之前，电子的真实位置在哪里？就在测量即将发生的时候，电子真的是两个通道的波吗？当测量发生时，这两种波中的一种会同时消失吗？

标准解释的支持者通常认为这样的问题没有答案。例如，在测量之前，我们不能判断电子真正在哪里。如果你的问题是关于电子的其他性质，比如电子的动量和自旋，也是如此。一般来说，在测量发生之前，我们无法判断电子具有什么样的性质。

关键点，也是理解我们在这里讨论的重点，是按照标准解释，我们之所以不能在测量之前分辨出电子有什么属性，不仅仅是因为我们不知道这些属性。

事实上，我们不能说这些属性，因为它们在测量之前并不存在。也就是说，在属性被度量之前，不存在物体的属性，所以不存在相关的事实。

这是一个非常反直觉的观点，值得花点时间澄清。假设我告诉你我口袋里有一些硬币。假设你不知道具体有多少硬币，但我相信你肯定我口袋里有一定数量的硬币。可能是两个，三个，八个，但是不管有多少硬币，你无疑相信我口袋里有多少硬币是有一个确定独立的事实的。

这是日常生活中信息缺失的一个例子。你说不出我口袋里有多少硬币，因为你不知道有多少硬币。这不是标准解释所涉及的那种信息损失。按照标准解读，没有资料可以了解。在测量之前，电子没有确定的位置，没有确定的自旋，等等。

标准解释的支持者并不否认现实的存在。也就是说存在一个现实，一个量子实体存在，一个电子“在那里”。然而，该电子以及其他量子实体在被测量之前没有确定的性质。

简而言之，虽然有现实存在，但在测量之前并不是具有一定属性的量子实体。前面的硬币例子说明了日常生活中的信息缺失，但标准解释的支持者所描述的信息缺失更为严重。

在标准解释的一般描述中，有几个可能的变量。我们注意到，根据标准解释，量子实体在测量发生之前没有属性。然而，我们几乎没有触及以下两个问题，即:

什么算是量子实体？什么算是测量？

让我们花点时间思考一下这两个问题。

至于什么是量子实体，我们目前给出的例子包括电子、光子、放射性衰变释放的粒子，以及类似的东西。所有人都认为这些是量子实体。

但是这些基本粒子是量子实体吗？记住，可以说所有的物体都是由这些基本实体组成的，没有别的。所以可以说，“量子实体”其实应该是指所有的物体。换句话说，所有的物体都应该被视为量子实体。

无论如何，请注意“什么是量子实体”这个问题的答案既不简单，也不具有争议性，这个问题并不只有一个合理的答案。

这种情况类似于什么是测量。这是一个重要的问题，尤其是对于标准解释的支持者。请注意，根据标准解释，当测量发生时，波函数将发生坍缩。

然而，什么是测量呢？这个问题有很多答案。要理解这一点，可以想想薛定谔的猫实验。第一个可以算作测量的事件是什么时候发生的？是当一个电子出现，两个探测器中的一个进入与之相关的物理作用时？

首先，你可能倾向于说这是第一次测量。但是，不要忘记，与那些探测器相关的过程只是物理过程，就像盒子里的其他物理过程一样。比如光子和分束器之间存在物理相互作用，但我们通常不把这种物理相互作用算作测量。

然而，当光子与我们所说的“探测器”相互作用时，物理过程与光子和分束器之间的物理过程并没有特别的不同。所以为什么光子和探测器的相互作用要算作测量，根本不清楚。

换句话说，光子探测器本身似乎并没有什么特别之处，那么它们为什么能导致波函数坍缩呢？探测器所经历的过程恰好是你我特别感兴趣的，因为我们很可能对是否有光子感兴趣，但那些探测器除了对我们这样的观察者有吸引力之外，并没有什么特别之处。因此，光子探测器是否应该作为第一个测量设备还很不清楚。

猫的听觉系统呢？可能探测器A和探测器B都发出了“嘟嘟”声，也可能猫对“嘟嘟”声的感知被算作第一次测量。

另一方面，导致猫感知哔哔声的物理效果和盒子中发生的其他数百万(可能更多)物理效果在原理上没有区别。那么，同理，为什么这些特定的相互作用算作“测量”，而其他的不算？也许这些相互作用不应该算作测量。

在盒子里，可能实际上听起来很奇怪，就是猫本身处于一种状态叠加的状态，其中一种是听到探测器A发出的嘟嘟声，另一种是听到探测器b发出的嘟嘟声，很快，这种状态叠加就变成了另一种状态叠加，其中一种是死猫，另一种是活猫。

最后，当我们打开盒子，看了看探测器读数，查了猫的生死，第一次测量发生了吗？直觉上，我们倾向于认为此时波函数一定已经坍缩，因为我们没有看到猫在生与死的叠加中(不过，我们后面会看到，并不是所有的量子理论解释都认同这一点)。然而，崩溃是否只发生在这一刻？人的意识是衡量的关键吗？

一般来说，对于“什么是量子实体”、“什么是测量”没有唯一的、无争议的答案。

如果你想更多地了解“隐变量的解释”，可以阅读《世界观:现代人必须了解的科学哲学与科学史》第25章。

关于作者:理查德·德威特，美国费尔菲尔德大学教授。他用自己丰富的课堂教学经验反复润色《世界观》手稿，并辅以丰富的图表。同时，作者具有将复杂的技术概念分解成读者能够理解的语言的独特能力，使人产生了极大的思考。

本文摘自经出版社授权出版的《世界观:科学哲学与现代人必须了解的科学史》。

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问:薛定谔的猫是活着还是死了？

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