薛定諤的貓——活貓還是死貓？

貓，要么是活的，要么是死的。但就有這么一只貓，我們不知道它是活的，還是死的，或者說它既是活的，又是死的。它叫薛定諤貓。

這只貓生活在一個(gè)不透明的盒子里，在這個(gè)盒子中放有貓喜歡吃的食物，還有一個(gè)毒藥瓶。毒藥瓶上有一個(gè)錘子，錘子由一個(gè)電子開關(guān)控制，電子開關(guān)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(dòng)電子開關(guān)， 錘子落下， 砸碎毒藥瓶， 釋放出里面的毒氣， 此貓必死無疑。如果原子核未衰變，則不會(huì)激發(fā)這一系列的連鎖反應(yīng)，貓就不會(huì)被毒死。這個(gè)殘忍的裝置由大物理學(xué)家薛定諤所設(shè)計(jì)， 所以此貓便叫做薛定諤貓。

原子核的衰變是隨機(jī)事件，我們所能精確知道的只是放射性原子的半衰期——衰變一半所需要的時(shí)間。但是， 我們卻無法知道， 它在什么時(shí)候衰變。因?yàn)樵拥臓顟B(tài)不確定，所以貓的狀態(tài)也不確定。我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切的知道此貓是死是活。如果沒有揭開蓋子進(jìn)行觀察，我們永遠(yuǎn)也不會(huì)知道此貓是死是活，它將永遠(yuǎn)處于半死不活的狀態(tài)。這與我們的日常經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重相違，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活呢？

其實(shí)，薛定諤的貓是關(guān)于量子理論的一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)。量子力學(xué)是描述原子、電子等微觀粒子的理論，它所揭示的微觀規(guī)律與日常生活中看到的宏觀規(guī)律很不一樣。量子力學(xué)認(rèn)為一切微觀粒子既有波動(dòng)性又有粒子性，既所謂的波粒二象性。所有的微觀粒子諸如電子、質(zhì)子、光子等都有一個(gè)奇怪的性質(zhì)：它們?cè)谕粋€(gè)時(shí)刻可以既在這里，又在那里，既是粒子又是波，就像有分身法術(shù)一樣。微觀粒子是粒子和波兩象性矛盾的統(tǒng)一。為了描述微觀粒子的狀態(tài)，人們引入了波函數(shù)，微觀粒子的波動(dòng)呈現(xiàn)出它運(yùn)動(dòng)的一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此稱此波動(dòng)為概率波或概率波幅（即量子態(tài)）。概率波幅是量子力學(xué)世界里最基本最重要的概念，微觀世界千奇百怪的特性就起源于這個(gè)量子態(tài)。微觀粒子的量子態(tài)可以是線性疊加的，比如電子的軌道疊加。“疊加態(tài)”就是有幾種本征態(tài)疊加在一起的粒子狀態(tài)，這時(shí)這個(gè)粒子的狀態(tài)是不確定的，只有當(dāng)一個(gè)“測(cè)量”被進(jìn)行的時(shí)候，才會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)被測(cè)量到的狀態(tài)，可能是該粒子的任何一種本征態(tài)。

在薛定諤的貓實(shí)驗(yàn)中，放射源何時(shí)放射粒子是不確定的，按量子力學(xué)解釋是處于0和1的疊加態(tài)，那么在未打開盒子進(jìn)行觀察前，按量子力學(xué)解釋這只貓也應(yīng)處于死貓和活貓的疊加態(tài)，我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道此貓是死是活。此時(shí)，貓的波函數(shù)由疊加態(tài)立即收縮到某一個(gè)本征態(tài)。量子理論認(rèn)為：如果沒有揭開蓋子，進(jìn)行觀察，我們永遠(yuǎn)也不知道此貓是死是活，它將永遠(yuǎn)處于半死不活的疊加態(tài)。

薛定諤的實(shí)驗(yàn)把量子效應(yīng)放大到了我們的日常世界，現(xiàn)在量子的奇特性質(zhì)牽涉到我們的日常生活了，牽涉到我們心愛的貓究竟是死是活的問題。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的巧妙之處在于，通過“電子開關(guān)——錘子——毒藥瓶”這條因果鏈，將放射原子的“衰變——未衰變疊加態(tài)”與貓的“死——活疊加態(tài)”聯(lián)系在一起，使量子力學(xué)的微觀不確定性變?yōu)楹暧^不確定性，微觀的混沌變?yōu)楹暧^的荒謬。一個(gè)人或許能接受電子處在疊加態(tài)的事實(shí)，但一旦談?wù)撈鸷暧^的事物比如我們的貓?zhí)幵谒?活的“疊加”狀態(tài)，任誰都要感到一點(diǎn)畏首畏尾。難怪英國(guó)著名科學(xué)家霍金聽到薛定諤貓佯謬時(shí)說：“我去拿槍來把貓打死！”薛定諤本人也把它描述成一個(gè)“惡魔般的裝置”。

死活疊加的“薛定諤貓”成為現(xiàn)實(shí)，打破了微觀量子和宏觀經(jīng)典的界限， 表明我們的物質(zhì)世界原本上是一個(gè)量子力學(xué)的世界。雖然量子力學(xué)的規(guī)則在宏觀尺度至少在普通情況下并不適用，但是在原則上量子力學(xué)理論確實(shí)可以用來描述我們?nèi)粘Ｉ畹默F(xiàn)實(shí)世界。只不過，在現(xiàn)實(shí)生活中，由于客觀的退相干效應(yīng)的存在，在量子向經(jīng)典過渡的區(qū)域，量子物理學(xué)自動(dòng)地還原為經(jīng)典物理學(xué)， 從而使得宏觀物體自動(dòng)地遵循著經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律行為。這樣一來，當(dāng)初用以質(zhì)疑量子力學(xué)自洽性和普適性的“薛定諤貓佯謬”， 也就成為揭示自然隱藏于其背后深刻奧妙的帷幕。