淺談量子力學之薛定諤的貓

本系列是想用盡量通俗的語言介紹量子糾纏，為了便於大家閱讀，下面先從量子理論開始。

即使是初中同學，也會聽說過一些量子現象。例如測不準關係，薛定諤貓等，在日常生活中這類現象匪夷所思，卻是千真萬確存在於微觀領域。我不奢望大家閱讀這個帖子後就能懂得量子力學，就能知道量子糾纏，我只希望能讓大家多了解一些量子力學知識。

量子力學與相對論一起合稱為近代物理。近代物理經歷了100多年的艱難，發展至今，可以說達到了人類智力征程上的最高成就。身為現代人，如果不了解一點點近代物理，就如同沒有上過互聯網，沒有發過email一樣，算得上是人生一大遺憾。

近代物理很多內容與我們一些想法常有衝突，面對這類衝突不同的人可以採取不同的態度，一種態度是堅信自己的想法正確，客觀事實必須服從自己的想法，另一種態度是認為自己的想法可能有誤，修改自己的想法使之符合客觀實際。每個人都可以做出自己的選擇，別人不便強求。本文介紹的內容，僅僅是我了解到的「客觀事實」，我把它發出來供大家參考。

一：薛定諤，貓

薛定諤(Erwin Schrodinger, 1887-1961)是奧地利著名物理學家、量子力學的創始人之一，曾獲1933年諾貝爾物理學獎，量子力學中描述原子、電子等微觀粒子運動的薛定諤方程，就是以他的名字命名的。

「薛定諤的貓」也稱「薛定諤佯謬」，是指薛定諤為說明量子力學中的「疊加態」設計的一個思想實驗而導致的佯謬。

下面先說說什麼叫「疊加態」

從日常經驗我們知道，一個人或一個物體在某一確定的時刻，總會處在某個確定的狀態。例如我說：老王現在在家，或者說老王現在不在家。要麼在，要麼不在，兩種狀態必居其一，沒有例外。然而在微觀世界中，事情卻有所不同。微觀粒子可以處於一種所謂「疊加態」的狀態中。例如，電子可以同時位於不同的地點A或B，也就是說，電子既在A，又不在A，電子的狀態是「在」和「不在」，兩種狀態按一定機率的疊加，電子的這種混合狀態叫疊加態。

大家一定會說：「老王此刻在或不在家」，打他的手機問問就清楚了，電子在A或不在A，測量一下不就知道了嗎？。說的沒錯！用物理語言說，我們給老王打電話，相當於我們對他進行了測量，當我們對老王測量時，他的狀態不會因為我們測量而改變，但電子卻不同，當我們對電子的狀態進行測量時，電子的疊加態不復存在，而是立刻塌縮到「在A」或「不在A」兩個狀態之一。

值得強調，宏觀與微觀的不同之處在於觀察之前。

老王是否在家，打電話之前已是事實，並不以我們是否給他打電話而轉移。而微觀電子塌縮前的狀態，並無定論，直到測量，它才因塌縮而確定。這是微觀世界中量子疊加態的奇妙特點，這與宏觀現象截然不同。

確實，相對論與量子力學有些現象與日常習慣差別很大，顯得神秘且不可思議。然而相對論與量子力學的很多結論卻早已在諸多方面被實驗證實，被學術界接受，且在各行各業中得到各種應用。當我們到了一個完全陌生的地方，開車不用問路，GPS自動告訴你該如何走，在相對論誕生之前，這簡直是神話，說敢相信？我們用的計算機性能日漸提高，20年前又有誰會用互聯網？（當時有互聯網嗎？）如今已經進入到近代物理時代，可以這樣說，沒有相對論及量子力學，就不會有今天的所謂高科技產業。

如何解析量子力學的基本理論，仍然是見仁見智，說法不一。這點也曾經深深地困擾它的創立者，包括眾多的諾貝爾獲獎者。微觀疊加態的特點與宏觀現象如此不同，連量子力學的創建者之一的薛定諤也想不通。1935年薛定諤發表了一篇論文，題目叫【量子力學的現狀】，在這篇論文里，薛定諤編出了一個「薛定諤貓」的理想實驗，試圖將微觀不確定性變為宏觀不確定性，微觀的迷惑變為宏觀的佯謬，以引起大家的注意。果不其然，物理學家對此佯謬一直眾說紛紜爭論至今。

以下是『薛定諤貓』的實驗描述。

把一隻貓放進一個封閉的盒子里，然後把這個盒子連接到一個裝置，其中包含一個原子核和毒氣設施。設想這個原子核有50%的可能性發生衰變。衰變時發射出一個粒子，這個粒子將會觸發毒氣設施，從而殺死這隻貓。根據量子力學的原理，未進行觀察時，這個原子核處於已衰變和未衰變的疊加態，因此，那隻可憐的貓就應該相應地處於『死』和『活』

的疊加態。非死非活，又死又活，狀態不確定，直到有人打開盒子觀測它。

實驗中的貓，可類比於微觀世界的電子（或原子）。在量子理論中，電子可以不處於一個固定的狀態（0或1），而是同時處於兩種狀態的疊加（0和1）。如果把疊加態的概念用於貓的話，那就是說，處於疊加態的貓是半死不活、又死又活。

量子理論認為：如果沒有揭開蓋子進行觀察，薛定諤的貓的狀態是『死』與『活』的疊加。此貓將永遠處於同時是死又是活的疊加態。這與我們的日常經驗嚴重相違。一隻貓，要麽死，要麽活，怎麽可能不死不活，半死半活呢？別小看這一個聽起來似乎荒謬的物理理想實驗。它不僅在物理學方面極具意義，在哲學方面也引申了很多的思考。在古代哲學思想中，就有這種似是而非、模稜兩可的說法，你中有我，我中有你，一就是二，二就是一，合二而一，天人合一等。有人如此來比喻『薛定諤的貓』：男女在開始戀愛前，不知道結果是好或者不好，這時，可以將戀愛結果看成好與不好的混合疊加狀態。如果你想知道結果，唯一的方法是去試試看，但是，只要你試過，你就已經改變了原來的結果了！

薛定諤的本意是要用『薛定諤貓』這個實驗的荒謬結果，來嘲笑哥本哈根學派對量子力學，對薛定諤方程引進的『波函數』概念的幾率解釋，但實際上，這個假想實驗使薛定諤自己站到了自己奠基的理論的對立面上，難怪有物理學家調侃地說到薛定諤：「薛定諤不懂薛定諤方程！」

綜上所述，建立了微觀世界中粒子的波函數所遵循的薛定諤方程。然後，薛定諤不同意哥本哈根派對波函數的解釋，設計了「薛定諤的貓」的思想實驗。用薛定諤自己的話來說，他要用這個「惡魔般的裝置」，讓人們聞之色變。薛定諤希望達到下面目的：「看吧，如果你們將波函數解釋成粒子的幾率波的話，就會導致一個既死又活的貓的荒謬結論。因此，幾率波的說法是站不住腳的！」

這隻貓的確令人毛骨悚然，相關的爭論一直持續到今天。連霍金也曾經憤憤地說：「當我聽說薛定諤的貓的時候，我就跑去拿槍，想一槍把貓打死！」

在宏觀世界中，既死又活的貓不可能存在，但許多許多實驗都已經證實了微觀世界中疊加態的存在。總之，通過薛定諤的貓，我們認識了疊加態，以及被測量時疊加態的坍縮。

疊加態的存在，是量子力學最大的奧秘，是量子現象給人以神秘感的根源，是我們了解量子力學的關鍵。

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