今天咱們一起研究一個“經常聽說但是又不怎麼了解”的東西，薛定諤的貓。

這個概念跟日常生活沒什麼關係，但我建議你用欣賞什麼傳統文化藝術的精神瞭解一下，純粹是為了陶冶情操。

本篇內容分為兩部分；

1. 量子力學的人性
2. 薛定諤的一個思想實驗

01

量子力學的人性

我以前看過一篇文章叫《量子力學的“人性”》，講了溫伯格總結的一個現在物理學家對量子力學世界觀的理解，比較難懂，今天我們要說的內容要比這個簡單一些，在這裡我給大家總結這篇文章的一個關鍵內容。

你只需要知道一個事實：微觀世界裡的東西，在被觀測之前，可以沒有一個固定的狀態，是幾種狀態的疊加態 —— 也就是“既……，又……”。

這是一個非常神奇的事實，不太好理解，理解了你就會坐臥不安。

比如說雙縫實驗。下面圖中中間的屏幕上有兩個縫，光子從縫隙中穿過，打在後面的屏幕上形成干涉條紋。

這種條紋之所以能出現，必須是兩個光子同時從兩個縫隙出發，中間發生干涉，才能出現。就好像水波一樣。

如上圖，對水波來說，之所以會有明暗相間的干涉條紋出現，是因為兩個波疊加，有時候加強了，有時候抵消了。—— 你需要“ 兩個 ”波，才行。

好了，現在物理學家有辦法，每次只發射一個光子到屏幕上，發射很多很多次以後，看屏幕後面是個什麼樣的條紋。—— 結果還是干涉條紋！

這就不對了。我們發射的是一個不可分割的光子，它跟誰幹涉產生的條紋呢？答案只能是它自己跟自己干涉 —— 它同時通過了兩個縫！

如果你把光子理解成是一種波動，自己跟自己干涉大概毫不稀奇，可光子也是一個粒子。那你也可以說，沒準光就是波，你們物理學家搞錯了，光根本不是粒子。

可是物理學家還可以用別的粒子做這個實驗，比如說每次發射一個質子，每次發射一個阿爾法粒子，結果是一樣的。

這一個粒子，怎麼可能同時經過兩個門，還自己遇見了自己，並且產生了干涉條紋呢？這就是量子力學中的“疊加態”。

粒子，既在這裡，也在那裡。

其他性質也是這樣，一個電子的自旋，可以是正和負的疊加態，既是正的，也是負的。當你觀測的時候，有一定的機率觀測到正的，一定的機率觀測到負的。

在你觀測之前，它既是正的也是負的。

注意，這個“既是……，也是……”和“或者是……，或者是……”有本質的區別。

如果光子“或者是從左邊的縫通過，或者是從右邊的縫通過”，那就不會有干涉條紋。必須從兩個縫同時通過 —— “既從左邊的縫通過，又從右邊的縫通過” —— 才有干涉條紋。

在觀測之前，你不能確定它在哪裡。你一觀測，疊加態塌縮了，你才得到一個確定的“正的自旋”，或者“在左邊的縫”。

說到這裡，我要澄清一個流行的錯誤看法。有人認為，你說的這個波函數塌縮無非就是“觀測擾動了被觀測的物體”，沒有什麼神奇的 —— 這是對“測不準原理”的一個錯誤理解。

首先這個說法是有道理的。比如你要測量一個電子，為了測量，你必須把一個光子打到這個電子身上，看光子怎麼反彈回來。

可是微觀世界裡的東西都很“弱”，你用光子這麼一打，電子的軌道和速度就被你干擾了，所以你的測量這個動作本身其實就已經改變了電子，那你這個測量肯定就是不準的。

沒錯。是測不準。但這個道理在宏觀世界也成立。

比如你問一個人，“你愛我嗎？” —— 你這個測量動作本身就可能改變ta，也許ta之前並不愛你，你這一問，ta以為你愛ta，結果ta當場愛上你了。

如果僅僅是“測不準”，那就是“或者在這裡或者在那裡”，只不過我測不準，或者我的測量改變了原本的結果而已。

但量子力學是“既在這裡又在那裡” —— 不僅僅你測不準，而是觀測之前根本就*不存在*一個特定的位置。

這就是為什麼，後來中國的物理書都把“測不準原理”改稱為“不確定性原理” —— 事實上英文本來就是 uncertainty principle.

比如說，“這個原子中的這個電子現在到底在哪裡？”這個問題，在量子力學框架內，你根本就不應該問 —— 因為具體位置沒有意義。

下面這張圖，左邊是我們傳統上對電子位置的想象 —— 它就好像一個行星繞著太陽轉一樣，在一個軌道上繞著原子核轉。

這個圖像是錯誤的。電子根本就沒有什麼軌道，根本就沒有什麼“位置”。正確圖像是右邊這個，電子是一片“雲” —— 在你測量它之前，它*同時*出現在原子核附近的所有地方。

這就是微觀世界。我們在宏觀世界的一些概念，位置、速度，甚至時間，在微觀世界都要重新反思。

微觀世界還有很多別的性質跟宏觀很不一樣。

比如在宏觀世界人不可能穿牆而過，可是在微觀世界，一個粒子卻可以衝過比它的動能更高的勢壘，等同於穿牆 —— 這就是量子隧道效應。

還有，宏觀世界就算兩個東西完全相同，我們也總可以給它們標記為1號和2號，並且在統計中加以區分 —— 可是在微觀世界裡的“全同粒子”，連這麼標記都不行，導致統計物理中的公式都不一樣。

對此物理學家惠勒有個猜測很有意思，他說“也許全世界就只有一個電子！” —— 當然他這個猜測很難被嚴肅對待，可是“全同”這個性質也的確怪異。

所以玻爾說，“誰如果不為量子力學感到困惑，誰就是根本沒理解量子力學。” 現在你至少對量子力學感到困惑了。

微觀世界的規律如此神奇，但是跟宏觀似乎沒啥關係。

我們宏觀世界的一個乒乓球，就只能“或者在這裡或者在那裡”，而不會“既在這裡又在那裡”。宏觀世界，沒有量子疊加態。

困惑歸困惑，但還相安無事。物理學家說不清量子世界為什麼如此，但至少會計算。很多情況下，只要能計算也就可以了，管它到底是怎麼回事。

02

薛定諤的一個思想實驗

在一個封閉的大箱子裡，放一隻貓。

箱子裡有個放射性裝置，裡面的放射性物質在一小時之內，可能衰變，也可能不衰變。如果衰變，那它就會觸發一個裝置，裝置打碎瓶子，瓶子裡面有殺貓毒氣。

在你打開箱子看之前，那個放射性物質處在“衰變”和“沒有衰變”的量子疊加態 —— 既衰變了，也沒有衰變。

那麼請問，在你打開箱子看之前，那隻貓 —— 一個宏觀的物體 —— 難道也處在量子疊加態嗎？

什麼叫“貓既是死的，也是活的？”

這個思想實驗把微觀的量子不確定性和宏觀世界直接聯繫在了一起。這你就沒有辦法迴避對量子世界的理解，可是你怎麼面對這個問題呢？

所以霍金有句名言 —— “當我聽說薛定諤的貓，我就去拿我的槍。”

有人說霍金這句話的意思是他想拿槍把貓打死，我覺得更可能是霍金想拿槍把提問的人打死，甚至把自己打死。薛定諤的貓，讓物理學家感到無法面對這個世界。

有人馬上會問，如果把貓換成人，那會怎樣？答案是那就沒有量子疊加態了，因為人有意識，人會讓波函數塌縮，所以人只能是“或者是死的，或者是活的”。

這就更奇怪，難道人的意識能有物理作用嗎？魏格納是這麼認為，但是大多數物理學家是不相信的。可是如果你不相信，那麼貓和人到底區別在哪裡？

“量子疊加態”，到底應該怎麼理解，現在沒有定論。

薛定諤的貓是個沒有解決的問題。

你可能會想到各種解釋，但我敢打賭，所有這些解釋物理學家都想過了。大多數物理學家對這個問題的態度是“不想”。反正我會計算。

我能精確計算測量到每個結果的概率，至於波函數塌縮之前到底發生什麼，我不理解，你也不必問。也許“波函數”這個概念都應該改寫，但目前為止，這是一個非常精確的有效理論。

其實生活中很多事情都是這樣：會用，但是不知道是怎麼回事。我們今天在這個世界上生活得不錯，可是這個世界到底怎麼回事，我們還是不知道。

不過有一點，我們知道 —— 這個世界非常，非常有意思。