薛定谔的猫的恐怖之处（薛定谔的猫详解）

《薛定谔的猫》为什么恐怖？

《薛定谔的猫》没有多恐怖。

薛定谔的猫（英文名称：Schrödinger’s Cat）是奥地利著名物理学家薛定谔（Erwin Schrödinger, 1887年8月12日～1961年1月4日）提出的一个思想实验，是指将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。

相关信息：

所谓的“薛定谔猫”，但是，不可能存在既死又活的猫，则必须在打开容器后才知道结果。该实验试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理的问题，巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来。

以此求证观测介入时量子的存在形式。随着量子物理学的发展，薛定谔的猫还延伸出了平行宇宙等物理问题和哲学争议。

薛定谔的猫：物理学史上最怪诞的思想实验

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。

图四：由于两个叠加和纠缠的量子力学状态导致的宇宙分离

1935年，诺贝尔物理学得主、奥地利物理学家埃尔温·薛定谔提出的这一例证指出：量子理论者们认为的微观层面上物质的性质和行为，和普通人认为的肉眼可见的宏观层面上观测到的物质的性质和行为之间，存在着不合逻辑的矛盾。

图五 埃尔温·薛定谔

多年以来，薛定谔的猫一直被用来类比阐述量子力学中新兴理论间的差异。比如说在多世界诠释理论中，猫既是死的又是活的，因为观察者和猫代表两种现实：一种的猫死了，另一种的猫活着。据说，薛定谔本人在晚年曾说过，他希望自己从未见过那只猫。

在观察非常微观的世界时，粒子和波是同等重要的，在这个尺度下，我们不能用已知的经验来判断事物的运动规律……所有的经验都是错的，没有任何类似的物理例子来类比原子内部发生了什么。这时候，原子就像原子，没有其他的比喻。

——约翰·格里宾（John Gribbin）

作者：Physics History

翻译： Nuor

审校： zhenni

原文链接：

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翻译内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

量子力学最恐怖的实验

“薛定谔的猫”思想实验本意，其实是讽刺哥本哈根学派对量子力学的“叠加态”解释。最后，却成为了量子力学的一个最有名的科普故事。双缝干涉实验的恐怖之处在于，一个微粒子竟然具有波动性与粒子性两种状态。另外，通过人为观察，它还能做出状态改变，甚至产生“逆时空”的错觉。

先说说确定薛定谔的猫吧。

任何实验的出现，其实都是有时代背景和人文背景的，科学实验也不例外。

“薛定谔的猫”这个思想实验，出现于爱因斯坦“决定论”与玻尔“概率论”交锋的最后战场上。这时，爱因斯坦已经去世了，但是作为爱因斯坦手下第一大将的薛定谔，化悲愤为力量憋出了这个大招，来表达他的不满。

为什么不满？

因为，对量子力学的概率解释，以爱因斯坦为首的薛定谔一方是非常难以接受的。

你想想，我爱因斯坦创造了“光子”概念，你玻尔给我一堆模棱两可的概率解释，大家都还支撑你，我很郁闷。

再想想，我薛定谔创造了“波函数”，你玻恩也给出一个我无法接受的概率解释，你还得了诺奖，我很愤懑。

都是我们创造的东西，你们一伙只靠一个解释就牛逼了，还圈粉加V。苦力活都是我们做的，好处全被你们捞走了，能不愤怒吗？

（这样悲痛的心情，我是理解的）

这里其实也能看出，在物理学中，物理概念大于数学公式的重要性，理解大于应用。

说远了，再来说说老爱小薛等人反对的本质。

因为，世界上所有的物质都是由微观粒子组成的，如果微观粒子的运动是遵循概率的，那是不是意味着，宏观物体也是应该遵循概率？如果是这样，那是不是意味着我们在看月亮的时候月亮存在，我们没看月亮的时候，月亮就不存在了？这里是对玻尔等人对“波函数坍缩”解释的反对。

但玻尔说，我们明明说的是微观粒子，你用月亮来比喻，不合适啊。

于是，薛定谔想了一个办法，把微观物体的特征引入到宏观世界当中。简单来说，就是通过属于微观的元素衰变现象，来决定一只宏观世界的猫的生死。衰变触发毒气机关，猫即死；没衰变不触发毒气机关，猫即活。

因为通过量子力学“概率论”的解释，元素衰变在未经测试的情况下，被认为同时存在衰变与没衰变两种状态，这种状态称为叠加态。

这种“叠加态”和我们普通认知的所谓已经衰变了和还没有衰变是两个概念。叠加态的核心思想是同时存在。如果是这样的话，那这只猫就应该同时处于已经死了和还没有死的叠加态中。

但其实上，这个实验本质是荒谬的，没有科学依据。

薛定谔的猫的恐怖之处是什么？

是后人对于这个理论的衍生讨论：有人提出是否可以将猫换成人。

猫是不会说话的，那么即使经历了生死叠加态它也不会表达。但人不一样，人如果感受过叠加态，是可以表达出来的。那么，将人关进盒子，打开后，如果人还活着，这个人是否会说出自己生死叠加的状态。

遗憾的是，一来人们没有进行这么残酷的实验，二来即使真的进行了这样的实验，也不会存在叠加态。将人关进盒子时，被关的人的意识已经参与了实验，他的意识同样会造成粒子状态的坍缩，所以当他意识到这个问题时，他就决定了自己的生死。如果他没有意识到，仍然难逃厄运，因为关他的人的意识会和他纠缠进而造成粒子态的坍缩，而猫没有这个问题。因为猫，“似乎”没有“意识”。

扩展资料

一、《薛定谔的猫》理论：

将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。

但是，不可能存在既死又活的猫，则必须在打开容器后才知道结果。该实验试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理的问题，巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来，以此求证观测介入时量子的存在形式。随着量子物理学的发展，薛定谔的猫还延伸出了平行宇宙等物理问题和哲学争议。

二、截止2021年2月22日的结论：

根据量子力学，微观粒子总是处于多种状态的叠加态。在最早人们开展光子和电子的双缝干涉实验时，会发现单个光子或电子总会莫名其妙地同时通过两条缝，也就是说单个光子或电子在过双缝时，处于同时经过左缝和右缝的叠加状态。而当人们试图观测到底是怎样一种叠加状态时，光子或电子会瞬间退化为单个粒子状态。

总之，让人无法观测。更多的研究最终引出了哥本哈根学派对量子力学的主流解释，即微观粒子（包括宏观物体）总是处于多种状态的叠加态，而当人的意识一旦参与观测，粒子随即以一定概率坍缩为某个确定状态。由此，确立了“意识”在主流量子力学学派中的崇高地位，同时，也宣布了叠加态的不可观察性。

为什么说薛定谔的猫理论特别恐怖？

薛定谔出生于奥地利著名的艺术之乡，维也纳。童年就聪颖好学，非常喜欢叔本华的书，展露出聪明才智。他广泛阅读叔本华的作品，他的一生对色彩理论、哲学、东方宗教深感兴趣。特别是印度教。这种喜欢神秘主义的性格，为他以后的科学探究是极其有帮助的。因为，他能丰富薛定谔的认识，使得他对于客观存在产生大胆设想。后来，他成为了物理学的博士学位，并在1935年提出了那个著名的理论“薛定谔的猫”。

薛定谔在1935年，做了这样一个实验。他把猫关在一个封闭的匣子里，有一只活猫及一瓶毒药。然后把这个盒子连接到一个装置，其中包含一个原子核和毒气设施。这个原子核有50%的可能性发生衰变。衰变时发射出一个粒子，这个粒子将会触发毒气设施的开关，从而杀死那只猫。当衰变发生时，药瓶被打破，猫将被毒死。按照常识，猫可能死了也可能还活着。量子力学告诉我们，存在一个中间态，猫既不死也不活，直到进行观察看看发生了什么。这个实验是想证明：除非进行观测，否则一切都不是确定的。

关键在于量子的衰变。如果量子不衰变，那么猫就活着。如果量子衰变了，那么猫就死了。而量子的衰变与否，取决于我们的监测。如果我们不检测，那么量子是否衰变我们就不得而知。所以说，我们通过量子，决定了猫的生死。以此类推的话，那结论就更可怕了。我们的命运就像是在选择无数的平行世界一样。而我们自己的监测状态，决定了量子世界的选择，从而决定了我们会走向哪条平行世界。感觉非常像“苏菲的世界”。

与之对立的学说是，我们的意识与量子是否衰变无关。里面的猫其实是既死又活的猫。但是，既死又活的猫是不存在的。所以，这就反衬了薛定谔的正确。物理学是奇妙的，而量子力学是最让人感到奇妙的一种物理。但是，他又决定了现代物理的走向。例如，原子弹就是依靠着量子力学制造的。对于他的探索，现在依然是个谜。