基本介紹
- 中文名：薛丁格的貓
- 外文名：Erwin Schrödinger's Cat
- 別稱：薛丁格之貓
- 表達式：P(死）+P（生）=1【P（死）=P（生）】
- 提出者：薛丁格
- 提出時間：1935年
- 套用學科：量子物理學
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基本概念
“薛丁格的貓”是由奧地利物理學家薛丁格於1935年提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗，是把微觀領域的量子行為擴展到巨觀世界的推演。這裡必須要認識量子行為的一個現象：觀測。微觀物質有不同的存在形式，即粒子和波。通常，微觀物質以波的疊加混沌態存在；一旦觀測後，它們立刻選擇成為粒子。實驗是這樣的：在一個盒子裡有一隻貓，以及少量放射性物質。之後，有50%的機率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓，同時有50%的機率放射性物質不會衰變而貓將活下來。
根據經典物理學，在盒子裡必將發生這兩個結果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道裡面的結果。在量子的世界裡，當盒子處於關閉狀態，整個系統則一直保持不確定性的波態，即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開後，外部觀測者觀測時，物質以粒子形式表現後才能確定。這項實驗旨在論證量子力學對微觀粒子世界超乎常理的認識和理解，可這使微觀不確定原理變成了巨觀不確定原理，客觀規律不以人的意志為轉移，貓既活又死違背了邏輯思維。
薛丁格的貓本身是一個假設的概念，隨著技術的發展，人們在光子、原子、分子中實現了薛丁格貓態，甚至已經開始嘗試用病毒來製備薛丁格貓態，如劉慈欣《球狀閃電》中變成量子態的人，人們已經越來越接近實現生命體的薛丁格貓。可是另外一方面，人們發現薛丁格貓態（量子疊加態）本身就在生命過程中存在著，且是生物生存不可缺少的。
思想實驗
薛丁格的貓（Schrödinger's Cat）是關於量子理論的一個思想實驗。
儘管量子論的誕生已經過了一個世紀，其輝煌鼎盛與繁榮也過了半個世紀。量子理論曾經引起的困惑直到21世紀仍困惑著人們。正如玻爾的名言：“誰要是第一次聽到量子理論時沒有發火，那他一定沒聽懂。”薛丁格的貓是諸多量子困惑中有代表性的一個。一隻貓被封在一個密室里，密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個錘子，錘子由一個電子開關控制，電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動電子開關，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出裡面的氰化物氣體，貓必死無疑。原子核的衰變是隨機事件，物理學家所能精確知道的只是半衰期——衰變一半所需要的時間。如果一种放射性元素的半衰期是一天，則過一天，該元素就少了一半，再過一天，就少了剩下的一半。物理學家卻無法知道，它在什麼時候衰變，上午，還是下午。當然，物理學家知道它在上午或下午衰變的幾率——也就是貓在上午或者下午死亡的幾率。如果我們不揭開密室的蓋子，根據我們在日常生活中的經驗，可以認定，貓或者死，或者活。這是它的兩種本徵態。如果我們用薛丁格方程來描述薛丁格貓，則只能說，它處於一種活與不活的疊加態。我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道貓是死是活。此時，貓構成的波函式由疊加態立即收縮到某一個本徵態。量子理論認為：如果沒有揭開蓋子，進行觀察，我們永遠也不知道貓是死是活，它將永遠處於半死不活的疊加態，可這使微觀不確定原理變成了巨觀不確定原理，客觀規律不以人的意志為轉移，貓既活又死違背了邏輯思維。
薛丁格挖苦說：按照量子力學的解釋，箱中之貓處於“死－活疊加態”——既死了又活著！要等到打開箱子看貓一眼才決定其生死。（請注意！不是發現而是決定，僅僅看一眼就足以致命！）正像哈姆雷特王子（引用自莎士比亞的名言）所說：“生存還是死亡，這是一個問題。”只有當你打開盒子的時候，疊加態突然結束（在數學術語就是“波函式坍縮（collapse）”），哈姆雷特王子的猶豫才終於結束，我們知道了貓的確定態：死，或者活。哥本哈根的幾率詮釋的優點：只出現一個結果，這與我們觀測到的結果相符合。有一個大的問題：它要求波函式突然坍縮，可物理學中沒有一個公式能夠描述這種坍縮。儘管如此，長期以來物理學家們出於或許實用主義的考慮，還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價：違反了薛丁格方程。這就難怪薛丁格一直耿耿於懷了。
薛丁格嘗試著用一個理想實驗來檢驗量子理論隱含的不確定之處。
構想在一個封閉的匣子裡，有一隻活貓及一瓶毒藥。當衰變發生時，藥瓶被打破，貓將被毒死。按照常識，貓可能死了也可能還活著。量子力學告訴我們，存在一個中間態，貓既不死也不活，直到進行觀察看看發生了什麼。
量子力學告訴我們：除非進行觀測，否則一切都不是確定的，可這使微觀不確定原理變成了巨觀不確定原理，客觀規律不以人的意志為轉移，貓既活又死違背了邏輯思維。愛因斯坦和少數非主流派物理學家拒絕接受由波爾及其同事創立的理論結果。愛因斯坦認為，量子力學只不過是對原子及亞原子粒子行為的一個合理的描述，這是一種唯象理論，它本身不是終極真理。他說過一句名言：“‘上帝’不會擲骰子。”他不承認薛丁格的貓的非本徵態之說，認為一定有一個內在的機制組成了事物的真實本性。愛因斯坦花了數年時間企圖設計一個實驗來檢驗這種內在真實性是否確在起作用，但沒有完成這種設計就去世了。
尋找薛丁格貓
哥本哈根詮釋
哥本哈根詮釋在很長的一段時間成了“正統的”、“標準的”詮釋。那隻不死不活的貓卻總是像惡夢一樣讓物理學家們不得安寧。格利賓在《尋找薛丁格的貓》中想告訴我們，哥本哈根詮釋在哪兒失敗？以及用什麼詮釋可以替代它？
格利賓
1957年，休·埃弗萊特提出的“多世界詮釋”似乎為人們帶來了福音，由於它太離奇開始沒有人認真對待。格利賓認為，多世界詮釋有許多優點，由此它可以代替哥本哈根詮釋。我們下面簡單介紹一下休·埃弗萊特的多世界詮釋。
格利賓在書中寫道：“埃弗萊特……指出兩隻貓都是真實的。有一隻活貓，有一隻死貓，它們位於不同的世界中。問題並不在於盒子中的放射性原子是否衰變，而在於它既衰變又不衰變。當我們向盒子裡看時，整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其餘的各個方面都是全同的。區別只是在於其中一個版本中，原子衰變了，貓死了；而在另一個版本中，原子沒有衰變，貓還活著。”
也就是說，上面說的“原子衰變了，貓死了；原子沒有衰變，貓還活著”這兩個世界將完全相互獨立地演變下去，就像兩個平行的世界一樣。格利賓顯然十分讚賞這一詮釋，故他接著說：“這聽起來就像科幻小說，然而……它是基於無懈可擊的數學方程，基於量子力學樸實的、自洽的、符合邏輯的結果。”“在量子的多世界中，我們通過參與而選擇出自己的道路。在我們生活的這個世界上，沒有隱變數，上帝不會擲骰子，一切都是真實的。”按格利賓所說，愛因斯坦如果還活著，他也許會同意並大大地讚揚這一個“沒有隱變數，‘上帝’不會擲骰子”的理論。
這個詮釋的優點：薛丁格方程始終成立，波函式從不坍縮，由此它簡化了基本理論。它的問題：構想過於離奇，付出的代價是這些平行的世界全都是同樣真實的。這就難怪有人說：“在科學史上，多世界詮釋無疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論。”
量子相干性
1996年5月，美國科羅拉多州博爾德的國家標準與技術研究所（NIST）的Monroe等人用單個鈹離子做成了“薛丁格的貓”並拍下了快照，發現鈹離子在第一個空間位置上處於自旋向上的狀態，而同時又在第二個空間位置上處於自旋向下的狀態，而這兩個狀態相距80納米之遙！（1納米等於1毫微米）——這在原子尺度上是一個巨大的距離。想像這個鈹離子是個通靈大師，他在紐約與喜馬拉雅同時現身，一個他正從摩天樓頂往下跳傘；而另一個他則正爬上雪山之巔！——量子的這種“化身博士”特點，物理學上稱“量子相干性”。
薛丁格方程
埃爾溫·薛丁格在20世紀20年代中期創立了現在被稱為量子力學分支中的一個方程。後來被稱之為薛丁格
現六光子薛丁格貓態
方程：▽2ψ（x，y，z）+（8π2m/h2）[E-U（x，y，z）]ψ（x，y，z）=0
量子理論是20世紀科學的重大進展之一，由於量子力學對傳統觀念所帶來的巨大衝擊，連“量子”的提出者在內的科學家都想盡各種辦法拒絕它，或做出各種調和性的解釋。事實上，薛丁格就被量子力學的結果弄得心神不安，他不喜歡波粒二象性的二元解釋以及波的統計解釋，試圖建立一個只用波來解釋的理論。
薛丁格貓態
“薛丁格貓態”含義
美國科學家宣布，他們成功讓6個鈹離子系統實現了自旋方向完全相反的巨觀量子疊加態，也就是量子力學理論中的“薛丁格貓”態。
根據量子力學理論，物質在微觀尺度上存在兩種完全相反狀態並存的奇特狀況，這被稱為有效的相干疊加態。由大量微觀粒子組成的巨觀世界是否也遵循量子疊加原理？奧地利物理學家薛丁格為此在1935年提出著名的“薛丁格貓”佯謬。
“薛丁格貓”佯謬假設了這樣一種情況：將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發生衰變，會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發生衰變，貓就存活。根據量子力學理論，由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加，貓就理應處於死貓和活貓的疊加狀態。這隻既死又活的貓就是所謂的“薛丁格貓”。
顯然，既死又活的貓是荒謬的，可這使微觀不確定原理變成了巨觀不確定原理，客觀規律不以人的意志為轉移，貓既活又死違背了邏輯思維。薛丁格想要藉此闡述的物理問題：巨觀世界是否也遵從適用於微觀尺度的量子疊加原理。“薛丁格貓”佯謬巧妙地把微觀放射源和巨觀的貓聯繫起來，旨在否定巨觀世界存在量子疊加態。然而隨著量子力學的發展，科學家已先後通過各種方案獲得了巨觀量子疊加態。此前，科學家最多使4個離子或5個光子達到“薛丁格貓”態。如何使更多粒子構成的系統達到這種狀態並保存更長時間，已成為實驗物理學的一大挑戰。
實驗
研究意義
科學家稱，“薛丁格貓”態不僅具有理論研究意義，也有實際套用的潛力。比如，多粒子的“薛丁格貓”態系統可以作為未來高容錯量子計算機的核心部件，也可以用來製造極其靈敏的感測器以及原子鐘、干涉儀等精密測量裝備。
量子派後來有一個被哄傳得很廣的論調說
“當我們不觀察時，月亮是不存在的”，這稍稍偏離了本意，準確來說，因為月亮也是由不確定的粒子組成的，所以如果我們轉過頭不去看月亮，那一大堆粒子就開始按照波函式彌散開去。於是乎，月亮的邊緣開始顯得模糊而不確定，它逐漸“融化”，變成機率波擴散到周圍的空間裡去。當然這么大一個月亮完全融化成空間中的機率是需要很長很長時間的，不過問題的實質是：要是不觀察月亮，它就從確定的狀態變成無數不確定的疊加。不觀察它時，一個確定的，客觀的月亮是不存在的。但只要一回頭，一輪明月便又高懸空中，似乎什麼事也沒發生過一樣。但其實，量子力學定律將月亮這種巨大質量的物體的波函式限制在很小的區域中，所以即使月亮彌散開去，彌散的程度也不是人眼能看出來的。
測不準原理解釋：測量一個粒子的位置和速度，其辦法是將光照到這粒子上，一部分光波被此粒子散射開，由此指明它的位置。人們不可能將粒子的位置確定到到光的兩個波峰之間距離更小的程度，故必須用短波長的光來測量，至少要用一個光量子。這量子會擾動這粒子，並改變粒子的速度，而且位置測量得越準確所需的波長就越短，單獨量子的能量就越大，粒子的速度就被擾動得越厲害。你對粒子的位置測量得越準確，對速度的測量就越不準確。（月亮不觀測時不是不存在，量子態在觀測時由於觀測力的相互作用而使波函式坍塌為確定值，微觀粒子整體呈現規律性，巨觀尺度下觀測力幾乎對其不影響。）（參考資料：史蒂芬.霍金所著《時間簡史》）
不能不承認，這聽起來很有強烈的主觀唯心論的味道，它其實和我們通常理解的那種哲學理論有一定區別，不過講到這裡，許多人大概都會自然而然地想起貝克萊（George Berkeley）主教的那句名言：“存在就是被感知”（拉丁文：Esse Est Percipi）。這句話要是稍微改一改講成“存在就是被測量”，那就和哥本哈根派的意思差不離了。貝克萊在哲學史上的地位無疑是重要的，人們通常樂於批判他，我們的哥本哈根派是否比他走得更遠呢？好歹貝克萊還認為事物是連續客觀地存在的，因為總有“上帝”在不停地看著一切。而量子論？“陛下，我不需要上帝這個假設”。
與貝克萊互相輝映的東方代表大概要算王陽明。他在《傳習錄·下》中也說過一句有名的話：“你未看此花時，此花與汝同歸於寂；你來看此花時，則此花顏色一時明白起來……”如果王陽明懂量子論，他多半會說：“你未觀測此花時，此花並未實在地存在，按波函式而歸於寂；你來觀測此花時，則此花波函式發生坍縮，它的顏色一時變成明白的實在……”測量即是理，測量外無理。
薛丁格的貓和量子自殺
究竟是必然還是偶然決定了宇宙的命運？或者說：‘上帝’玩骰子嗎？這個是量子力學和相對論最大的爭議。量子力學主張：世界是由不確定的、隨機的事件決定，這個不確定（後者叫波動）其實就是辯證法主張的矛盾運作；而相對論則認為：世界應該是由固定的、機械的規律統治，任何看似偶然的事件背後，其實都有必然在支撐。
關於薛丁格的貓，包括愛因斯坦在內的許多非主流科學家是持懷疑態度的，他們認為：這個原因是由“平行宇宙”（MWI）造成的，即： 當我們向盒子裡看時，整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其餘的各個方面都是全同的。區別只是在於其中一個版本中，原子衰變了，貓死了；而在另一個版本中，原子沒有衰變，貓還活著。在量子的多世界中，我們通過參與而選擇出自己的道路。在我們生活的這個世界上，沒有隱變數，上帝不會擲骰子，一切都是真實的。這個觀點還有更駭人聽聞的假設：量子自殺。
量子自殺的提出
在 量子力學 里,量子自殺是想法實驗，這令人毛骨悚然和啼笑皆非的實驗在80年代末由Hans Moravec，Bruno Marchal等人提出，而又在1998年為宇宙學家Max Tegmark針對 哥本哈根 “波函式坍縮”中的“意識怪獸”，在那篇廣為人知的宣傳 MWI 的論文中所發展和重提。Max Tegmark認為宇宙有多個， 量子 的不確定性被分配到各個 宇宙 去，只要從主觀視角來看，不但一個人永遠無法完成 自殺 ，事實上他一旦開始存在，就永遠不會消失！總存在著一些量子效應，使得一個人不會衰老，而按照MWI，這些非常低的機率總是對應於某個實際的世界！
量子自殺實驗
在一套設備里，利用原子衰變來控制扣動一把槍的扳機，我們就可以觀測當一個人被打死了（如果衰變-->開槍）或者沒有（沒有衰變）。他遲早被打死，因為隨著原子衰變機率的增加，槍的扳機遲早會扣動。但對當事人本身的角度來說完全不是這樣。因為對他唯一有意義的就是“那些他活著的世界”。永遠都會有一個他活在某個世界！如果平行宇宙理論是正確的，那么對於某人來說，他無論如何試圖去自殺都不會死！要是他拿刀抹脖子，那么因為組成刀的是一群符合 波動方程 的 粒子 ，所以總有一個非常非常小的可能性，以某種方式絲毫無損地穿透了該人的脖子，從而保持該人不死！當然這個機率極小極小，但按照MWI，一切可能發生的都實際發生了，所以這個現象總會發生在某個宇宙！其實不管換什麼方式自殺都一樣，跳樓也好，臥軌也好，上吊也好，總存在那么一些宇宙，讓他還活著。從該人自身的視角來看，他怎么死都死不掉！當然在其他無窮個宇宙里，他的親朋好友卻要為他哀悼了。這實際上也是薛丁格貓的一個真人版。大家知道在貓實驗裡，如果原子衰變，貓就被毒死，反之則存活。對此，哥本哈根派的解釋：在我們沒有觀測它之前，貓是“又死又活”的，而觀測後貓的波函式發生坍縮，貓要么死要么活。MWI則聲稱：每次實驗必定同時產生一隻活貓和一隻死貓，只不過它們存在於兩個平行的世界中。
宇宙分裂
這樣一來，薛丁格的貓也不必再為死活問題困擾。只不過是宇宙分裂成了兩個，一個有活貓，一個有死貓罷了。對於那個活貓的宇宙，貓是一直活著的，不存在死活疊加的問題。對於死貓的宇宙，貓在分裂的那一刻就實實在在地死了，不要等人們打開箱子才“坍縮”，從而蓋棺定論。
從宇宙誕生以來，已經進行過無數次這樣的分裂，它的數量以幾何級數增長，很快趨於無窮。我們現在處於的這個宇宙只不過是其中的一個，在它之外，還有非常多的其他的宇宙。有些和我們很接近，那是在家譜樹上最近剛剛分離出來的，而那些從遙遠的古代就同我們分道揚鑣的宇宙則可能非常不同。也許在某個宇宙中，小行星並未撞擊地球，恐龍仍是世界主宰。在某個宇宙中，埃及豔后克婁帕特拉的鼻子稍短了一點，沒有叫凱撒和安東尼怦然心動。那些反對歷史決定論的“鼻子派歷史學家”一定會對後來的發展大感興趣，看看是不是真的存在歷史蝴蝶效應。在某個宇宙中，格魯希沒有在滑鐵盧遲到，而希特勒沒有在敦刻爾克前下達停止進攻的命令。而在更多的宇宙里，因為物理常數的不適合，根本就沒有生命和行星的存在。
似乎這個結論是可以將整個量子力學和相對論聯繫起來，或者說，是用相對論取代了量子力學。
且慢！仔細考慮一下：每一個電子的跳躍，每一個光子的衍射，我在鍵盤上敲打的每一個字元，都可以創造一個宇宙？那么，自大爆炸以來，究竟有多少個宇宙被創造出來了？宇宙的數量每秒鐘都在以駭人聽聞的速度增長？這個理論似乎是要為了解釋一個小小的電子的衍射而興師動眾的創造一個龐大的宇宙呀！也沒有任何證據能夠證明這個理論，這個理論的成本太高了。
影響及意義
量子力學作為20世紀最有突破的科學成就之一，也是最具爭議的科學之一。“薛丁格的貓”很好的闡述了這一現狀。人們不能接受量子力學是因為它的不確定性。對於傳統的物理學來說，只要找到了事物之間相關的聯繫，就能在每時每刻確定，事物之間相關的物理數據，比如說，物體運行距離等於物體的速度乘以物體運行的時間，只要知道物體的速度，你每時每刻都能計算出物體運行了多遠，然而海森堡提出的量子不確定性原理使得你無法預知一個微觀粒子未來的狀態。正如愛因斯坦所說的：上帝不玩骰子，但是量子力學讓我們不得不相信，上帝似乎是玩骰子的。
