## 薛定谔的猫

今天周末，咱们说一个“经常听说但是又不怎么了解”的东西，薛定谔的猫。这个概念跟日常生活没什么关系，但我建议你用欣赏什么传统文化艺术的精神了解一下，纯粹是为了陶冶情操。

咱们日课之前有篇文章叫《量子力学的“人性”》，讲了温伯格总结的一个现在物理学家对量子力学世界观的理解，比较难懂，今天要说的比上次简单。我们先回顾一下上次说过的一个关键内容。

你只需要知道一个事实：微观世界里的东西，在被观测之前，可以没有一个固定的状态，是几种状态的叠加态 —— 也就是“既……，又……”。

这是一个非常神奇的事实，不太好理解，理解了你就会坐卧不安。

比如说双缝实验。下面图中中间的屏幕上有两个缝，光子从缝隙中穿过，打在后面的屏幕上形成干涉条纹。这种条纹之所以能出现，必须是两个光子同时从两个缝隙出发，中间发生干涉，才能出现。就好像水波一样。

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如上图，对水波来说，之所以会有明暗相间的干涉条纹出现，是因为两个波叠加，有时候加强了，有时候抵消了。—— 你需要“ 两个 ”波，才行。

好了，现在物理学家有办法，每次只发射*一个*光子到屏幕上，发射很多很多次以后，看屏幕后面是个什么样的条纹。—— 结果还是干涉条纹！

这就不对了。我们发射的是一个不可分割的光子，它跟谁干涉产生的条纹呢？答案只能是它自己跟自己干涉 —— 它同时通过了两个缝！

如果你把光子理解成是一种波动，自己跟自己干涉大概毫不稀奇，可光子也是一个粒子。那你也可以说，没准光就是波，你们物理学家搞错了，光根本不是粒子。可是物理学家还可以用别的粒子做这个实验，比如说每次发射一个质子，每次发射一个阿尔法粒子，结果是一样的。

这一个粒子，怎么可能同时经过两个门，还自己遇见了自己，并且产生了干涉条纹呢？这就是量子力学中的“叠加态”。

粒子，既在这里，也在那里。

其他性质也是这样，一个电子的自旋，可以是正和负的叠加态，既是正的，也是负的。当你观测的时候，有一定的几率观测到正的，一定的几率观测到负的。在你观测之前，它既是正的也是负的。

注意，这个“既是……，也是……”和“或者是……，或者是……”有本质的区别。如果光子“或者是从左边的缝通过，或者是从右边的缝通过”，那就不会有干涉条纹。必须从两个缝同时通过 —— “既从左边的缝通过，又从右边的缝通过” —— 才有干涉条纹。

在观测之前，你不能确定它在哪里。你一观测，叠加态塌缩了，你才得到一个确定的“正的自旋”，或者“在左边的缝”。

说到这里，我要澄清一个流行的错误看法。有人认为，你说的这个波函数塌缩无非就是“观测扰动了被观测的物体”，没有什么神奇的 —— 这是对“测不准原理”的一个错误理解。

首先这个说法是有道理的。比如你要测量一个电子，为了测量，你必须把一个光子打到这个电子身上，看光子怎么反弹回来。可是微观世界里的东西都很“弱”，你用光子这么一打，电子的轨道和速度就被你干扰了，所以你的测量这个动作本身其实就已经改变了电子，那你这个测量肯定就是不准的。

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没错。是测不准。但这个道理在宏观世界也成立。比如你问一个人，“你爱我吗？” —— 你这个测量动作本身就可能改变ta，也许ta之前并不爱你，你这一问，ta以为你爱ta，结果ta当场爱上你了。

如果仅仅是“测不准”，那就是“或者在这里或者在那里”，只不过我测不准，或者我的测量改变了原本的结果而已。但量子力学是“既在这里又在那里” —— 不仅仅你测不准，而是观测之前根本就*不存在*一个特定的位置。

这就是为什么，后来中国的物理书都把“测不准原理”改称为“不确定性原理” —— 事实上英文本来就是 uncertainty principle.

比如说，“这个原子中的这个电子现在到底在哪里？”这个问题，在量子力学框架内，你根本就不应该问 —— 因为具体位置没有意义。

下面这张图，左边是我们传统上对电子位置的想象 —— 它就好像一个行星绕着太阳转一样，在一个轨道上绕着原子核转。这个图像是错误的。电子根本就没有什么轨道，根本就没有什么“位置”。

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正确图像是右边这个，电子是一片“云” —— 在你测量它之前，它*同时*出现在原子核附近的所有地方。

这就是微观世界。我们在宏观世界的一些概念，位置、速度，甚至时间，在微观世界都要重新反思。

微观世界还有很多别的性质跟宏观很不一样。比如在宏观世界人不可能穿墙而过，可是在微观世界，一个粒子却可以冲过比它的动能更高的势垒，等同于穿墙 —— 这就是量子隧道效应。

还有，宏观世界就算两个东西完全相同，我们也总可以给它们标记为1号和2号，并且在统计中加以区分 —— 可是在微观世界里的“全同粒子”，连这么标记都不行，导致统计物理中的公式都不一样。对此物理学家惠勒有个猜测很有意思，他说“也许全世界就只有一个电子！” —— 当然他这个猜测很难被严肃对待，可是“全同”这个性质也的确怪异。

所以玻尔说，“谁如果不为量子力学感到困惑，谁就是根本没理解量子力学。” 现在你至少对量子力学感到困惑了。

好。微观世界的规律如此神奇，但是跟宏观似乎没啥关系。我们宏观世界的一个乒乓球，就只能“或者在这里或者在那里”，而不会“既在这里又在那里”。宏观世界，没有量子叠加态。

困惑归困惑，但还相安无事。物理学家说不清量子世界为什么如此，但至少会计算。很多情况下，只要能计算也就可以了，管它到底是怎么回事。

然后薛定谔就提出一个思想实验。

在一个封闭的大箱子里，放一只猫。箱子里有个放射性装置，里面的放射性物质在一小时之内，可能衰变，也可能不衰变。如果衰变，那它就会触发一个装置，装置打碎瓶子，瓶子里面有杀猫毒气。

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在你打开箱子看之前，那个放射性物质处在“衰变”和“没有衰变”的量子叠加态 —— 既衰变了，也没有衰变。

那么请问，在你打开箱子看之前，那只猫 —— 一个宏观的物体 —— 难道也处在量子叠加态吗？

什么叫“猫既是死的，也是活的？”

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这个思想实验把微观的量子不确定性和宏观世界直接联系在了一起。这你就没有办法回避对量子世界的理解，可是你怎么面对这个问题呢？所以霍金有句名言 —— “当我听说薛定谔的猫，我就去拿我的枪。”

有人说霍金这句话的意思是他想拿枪把猫打死，我觉得更可能是霍金想拿枪把提问的人打死，甚至把自己打死。薛定谔的猫，让物理学家感到无法面对这个世界。

有人马上会问，如果把猫换成人，那会怎样？答案是那就没有量子叠加态了，因为人有意识，人会让波函数塌缩，所以人只能是“或者是死的，或者是活的”。这就更奇怪，难道人的意识能有物理作用吗？魏格纳是这么认为，但是大多数物理学家是不相信的。可是如果你不相信，那么猫和人到底区别在哪里？正如咱们上次那篇说温伯格的文章，现在没人能说清。

“量子叠加态”，到底应该怎么理解，现在没有定论。

薛定谔的猫是个没有解决的问题。

你可能会想到各种解释，但我敢打赌，所有这些解释物理学家都想过了。

大多数物理学家对这个问题的态度是，“不想”。反正我会计算。我能精确计算测量到每个结果的概率，至于波函数塌缩之前到底发生什么，我不理解，你也不必问。也许“波函数”这个概念都应该改写，但目前为止，这是一个非常精确的有效理论。

其实生活中很多事情都是这样：会用，但是不知道是怎么回事。我们今天在这个世界上生活得不错，可是这个世界到底怎么回事，我们还是不知道。

不过有一点，我们*知道* —— 这个世界非常，非常有意思。

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