扑朔迷离的科学魅影：猫“死”了，还是“活”着

#头条创作挑战赛#

许多人将听起来有些诡异的量子理论视为天书，敬而远之。诺贝尔物理学奖得主、著名物理学家费曼曾说：“我想我可以有把握地讲，没有人懂量子力学！”但不管哪个行业的人，大概都听说过奇妙的量子现象，如测不准原理、薛定谔的猫等。在日常生活中看起来匪夷所思的现象，却千真万确地存在于微观的量子世界之中。

既死又活的猫

1935年，薛定谔发表了一篇题为《量子力学的现状》的论文。在论文中，他构思了一个“薛定谔猫”的理想实验，实验过程如下：

“一只猫被放进一个封闭的盒子里，盒子里有一个毒药瓶，上面有一把锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关则由放射性原子控制。原子核衰变放射出阿尔法粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫闻到氰化物气体会死去。”

●薛定谔奥地利物理学家，量子力学奠基人之一。他尝试了著名的“薛定谔猫”思想实验，试图以此证明量子力学在宏观条件下的不完备性。

现在的问题是：猫是死的，还是活的？其实我们也可以换一种问法，原子核什么时候衰变？因为原子核什么时候衰变，猫就什么时候死。

原子核什么时候衰变呢？根据量子力学的原理，未进行观察时，这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态，状态不确定；当有人观察时，原子核衰变或不衰变，只有在那一刻才见分晓。

这种叠加态是哥本哈根派给出的解释，具体地说就是在没有测量之前，一个粒子的状态模糊不清，处于各种可能性的混合叠加状态。比如一个放射性原子，它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察，它便处于衰变或不衰变的叠加状态中。只有确实地测量了，它才会随机地选择一种状态而出现。

根据这个解释，在量子世界里，猫既是死的，又是活的，只有在打开箱子观察的一刹那，才能决定猫是死是活。请注意，这里仅仅看一眼就足以致命！这跟我们的日常经验大相径庭。比如我说路人甲现在“在”客厅里，或是说路人甲现在“不在”客厅里。在或不在，两者必居其一。然而在微观的量子世界中，情况却有所不同。微观粒子可以处于一种所谓的“叠加态”，每种状态都有一定的概率。

●维也纳大学名人长廊中的薛定谔塑像

聪明的读者也许会说，要想知道路人甲是不是在客厅里，去看一眼不就清楚了啊！当然，看一下肯定没问题。这是宏观世界，如果在微观世界里，看电子是不是在某一点上，可就没这么简单了。当我们对电子的状态进行“测量”时，电子的“叠加态”不复存在，而是“坍缩”到两个状态的其中之一。微观与宏观的不同之处在于，路人甲在不在客厅，并不以“看”或“不看”而转移，即你看他在那里，你不看他也在那里。而微观电子“坍缩”前的状态，你如果不测量它，就永远也不能确定。

奇妙的量子历史

薛定谔为什么要设计这个思想实验呢？这一切要从薛定谔方程说起。1919年，有一个叫作德布罗意的年轻人突然对物理产生了浓厚的兴趣，于是抛开中世纪史，转而研究起了理论物理。德布罗意是典型的富二代，父亲是法国内阁部长，位高权重，德布罗意则吃喝不愁，每天就想着怎么打发无聊时光。5年后，德布罗意提交了自己的博士论文，论文只有短短的一页，上面列了两个公式，以及一个猜想：一切物质都具有波粒二象性。

●第五届索尔维会议集体照这张汇聚了物理学界智慧之脑的“明星照”成了这次会议的见证。这里有我们熟悉的居里夫人（前排左三）、爱因斯坦（前排左五）和薛定谔（后排左六）等。

德布罗意对自己的论文能不能获得通过信心不大，他的老师朗之万向他透露，论文评审委员会有几位教授很不屑德布罗意的研究。怎么办呢？朗之万想到了自己的好朋友爱因斯坦，于是修书一封。信中说，我有个学生叫德布罗意，写了一篇十分有想法的博士论文，请予以评价。在信的末尾，郎之万还特别提出他这位学生的父亲是法国内阁部长，如是这般叮嘱再三。

爱因斯坦很快回信，对德布罗意的工作评

价甚高。论文评审委员会的人一看爱因斯坦都给了那么高的评价，当然就不好说什么了，德布罗意这才顺利通过了论文评审。

收到德布罗意博士论文的不止爱因斯坦一个，在朗之万寄出的信中，有一份是给维也纳大学的教授德拜的。德拜收到论文后，看也没看就将它交给了一位中年讲师，这位讲师的名字叫作薛定谔。薛定谔拿到论文后，对德布罗意的研究很感兴趣，不但仔细读了德布罗意的博士论文，还为德布罗意的假想找了一个波动方程。这个方程就是后来鼎鼎大名的薛定谔方程。当然，这个方程是生搬硬套上去的，虽然很好用，但薛定谔也不明白其中的含义。于是，有人写了一首打油诗讽刺薛定谔：“欧文用他的ψ（读p s a i），计算起来真灵通。但ψ真正代表什么，没人能够说得清。”（欧文就是薛定谔，ψ是薛定谔波动方程中的一个变量）

薛定谔方程到底代表了什么？最后，物理学家波恩给出了自己的解释：薛定谔方程其实是概率波。

这种解释很难让所有人信服，爱因斯坦直截了当地说上帝不会掷色子。薛定谔尤其不同意这个解释，于是设计了“薛定谔猫”的思想实验。用薛定谔自己的话来说，他要用这个“恶魔般的装置”，让人们闻之色变。

●薛定谔之墓

薛定谔说：“看吧，如果你们将波函数解释成粒子的概率波的话，就会导致一个既死又活的猫的荒谬结论。因此，概率波的说法是站不住脚的！”

打死那只猫

让人意想不到的是，薛定谔的本意是要用“薛定谔猫”这个实验的荒谬结果，来嘲笑哥本哈根学派对量子力学、对薛定谔方程引进的“波函数”概念的概率解释。但实际上，这个假想实验使薛定谔自己站到了自己奠基的理论的对立面上，难怪有物理学家调侃地说道：“薛定谔不懂薛定谔方程！”

这只“猫”的确令人毛骨悚然，相关的争论一直持续到今天。连当今伟大的物理学家霍金也曾经愤愤地说：“当我听说薛定谔的猫的时候，我就跑去拿枪，想一枪把猫打死！”