深度科普：真的存在“既死又活”的貓？連愛因斯坦都無法理解！

20 世紀初，物理學的大廈看似已經完美建成，經典物理學成功地解釋了宏觀世界的諸多現象，從天體的運行到日常生活中的力學問題，都在其理論框架內得到了合理的解釋。然而，在微觀世界的探索中，經典物理學卻遭遇了重重困境，黑體輻射、光電效應等現象無法用經典理論來解釋，這使得物理學家們開始意識到，微觀世界或許遵循著一套截然不同的規律 。

在這樣的背景下，量子力學應運而生。

1900 年，普朗克為解決黑體輻射問題提出了量子論，標志著早期量子論的誕生；5 年后，愛因斯坦針對光電效應提出了光量子的假設；隨后，玻爾在此基礎上提出了玻爾原子模型，解釋了氫光譜實驗。但在這一時期的量子論對微觀粒子的本質還缺乏全面認識，因此也被稱為舊量子論。進入 20 世紀 20 年代，德布羅意將波粒二象性推廣至實物粒子，這一假設不久為戴維孫和革末的電子衍射實驗所證實，現代量子力學由此建立。

隨后，埃爾溫?薛定諤、維爾納?海森堡、馬克斯?玻恩、保羅?狄拉克等物理學家全面發展了量子力學的現代理論。

量子力學的出現，徹底顛覆了人們對微觀世界的認知。在量子力學中，能量、動量、角動量和束縛系統的其他量都被限制為離散值，即量子化；物體同時具有粒子和波的特性，也就是波粒二象性；在給定一組完整的初始條件的情況下，在測量之前預測物理量值的準確度是有限的，這便是不確定性原理。這些奇異的現象與我們日常生活中的經驗大相徑庭，也引發了眾多物理學家的深入思考和激烈爭論 。

其中，最具代表性的思想實驗之一便是 “薛定諤的貓”，它以一種極具戲劇性的方式，將量子力學的奇異之處展現得淋漓盡致，也引發了人們對量子世界本質的深刻探討。

1935 年，奧地利物理學家薛定諤在與愛因斯坦的通信討論中提出了 “薛定諤的貓” 這一思想實驗，旨在質疑量子力學的完備性。

實驗設定如下：將一只貓關在一個密封的盒子里，盒子里還放置了少量放射性物質、一個蓋革計數器、一個連接著錘子的繼電器以及一瓶劇毒物質，如氰化氫。放射性物質有 50% 的概率發生衰變，一旦衰變，蓋革計數器就能探測到，進而觸發繼電器，使錘子落下打破裝有毒物的瓶子，貓就會被毒死；若放射性物質未衰變，貓便能安然無恙 。

從實驗設定來看，它巧妙地將微觀世界的量子現象與宏觀世界的貓的生死聯系在了一起。放射性物質的衰變是一個量子力學過程，其衰變與否是概率性的，這體現了微觀世界的不確定性 。而貓的生死則是宏觀世界中我們可以直接感知的狀態，要么生，要么死，是確定的。

但在這個實驗中，由于微觀世界與宏觀世界的這種特殊關聯，貓的生死狀態變得撲朔迷離 。

這個實驗背后涉及到量子力學中的兩個重要概念：不確定性原理和疊加態。

不確定性原理由海森堡于 1927 年提出，它指出微觀粒子的某些成對物理量，如位置和動量，不能同時被精確測量，其中一個量測量得越精確，另一個量的不確定性就越大 。在 “薛定諤的貓” 實驗中，不確定性原理體現在放射性物質的衰變上，我們無法確切預知在某一時刻放射性物質是否會衰變，它處于一種不確定的狀態 。

疊加態則是指微觀粒子可以同時處于多種狀態的疊加。

例如，在這個實驗中，在未打開盒子觀測之前，放射性物質處于衰變和未衰變這兩種狀態的疊加。由于貓的生死與放射性物質的狀態緊密相連，這就意味著貓也處于一種既死又活的疊加態 。

這種疊加態在宏觀世界中是難以想象的，因為我們日常生活中的物體總是處于確定的狀態，比如一個杯子要么在桌子上，要么不在桌子上，不可能同時處于在桌子上和不在桌子上的疊加狀態 。

但在微觀世界中，量子力學的實驗已經證實了疊加態的存在，如電子雙縫干涉實驗，當單個電子通過雙縫時，它似乎能夠同時通過兩條縫，與自身發生干涉，在屏幕上形成干涉條紋，這表明電子在未被觀測時處于一種疊加態 。

愛因斯坦作為量子力學的奠基人之一，卻對量子力學中的不確定性和疊加態深感困惑與質疑 。他堅信自然界的規律是確定性的，宇宙就像一個完美設計的鐘表，每一個組件的運動都嚴格遵循著某種確定的規律，而不是依賴于隨機事件 。他的這一觀點在其名言 “上帝不會擲骰子” 中得到了淋漓盡致的體現 。

在愛因斯坦看來，量子力學中的不確定性原理和疊加態與他所秉持的決定論世界觀相悖 。他認為微觀粒子的行為應該是可以精確預測的，只是我們尚未發現其中隱藏的規律，一定存在某種 “隱變量” 決定著微觀粒子的真實狀態 。

如果能夠找到這些 “隱變量”，就可以用一個完全確定性的理論來描述微觀世界，而不是用量子力學中的概率和統計來解釋 。

例如，在 “薛定諤的貓” 實驗中，愛因斯坦無法接受貓會處于既死又活的疊加態這種違背常識的結果 。他認為在未打開盒子觀測之前，貓的生死狀態就應該是確定的，而不是處于一種不確定的疊加態 。

愛因斯坦的這種觀點并非孤立存在，他與薛定諤的觀點有著高度的一致性 。薛定諤同樣是經典物理學派的堅定支持者，他提出 “薛定諤的貓” 這一思想實驗，本意就是為了諷刺并質疑哥本哈根學派所謂的 “疊加態” 。

他和愛因斯坦都認為量子力學對微觀世界的描述是不完備的，背后一定存在著尚未被揭示的更深層次的規律 。他們試圖通過這個思想實驗，將微觀世界的量子效應與宏觀世界聯系起來，以凸顯量子力學中疊加態概念的荒謬性 。

然而，隨著量子力學的不斷發展，越來越多的實驗結果卻支持了量子力學的觀點，這也使得愛因斯坦和薛定諤的質疑面臨著巨大的挑戰 。

在量子力學的發展歷程中，哥本哈根學派的詮釋占據著重要的地位。該學派由尼爾斯?玻爾和維爾納?海森堡于 1927 年在丹麥哥本哈根合作研究時共同提出，其核心觀點包括不確定性原理、疊加態以及測量導致波函數坍縮等 。

不確定性原理表明，微觀粒子的某些成對物理量，如位置和動量，不能同時被精確測量，其中一個量測量得越精確，另一個量的不確定性就越大 。這意味著我們無法同時準確地知道一個微觀粒子的位置和動量，只能用概率來描述它們可能出現的范圍 。

例如，在電子雙縫干涉實驗中，當我們試圖確定電子通過了哪條縫時，干涉條紋就會消失，電子表現出粒子性；而當我們不進行觀測時，電子則表現出波動性，出現干涉條紋 。這說明我們的觀測行為會對微觀粒子的狀態產生影響，微觀粒子的行為具有不確定性 。

疊加態是指微觀粒子可以同時處于多種狀態的疊加 。在 “薛定諤的貓” 實驗中，未打開盒子觀測之前，放射性物質處于衰變和未衰變的疊加態，貓也處于既死又活的疊加態 。這種疊加態并非是兩種狀態的簡單混合，而是微觀粒子的一種真實存在狀態 。只有當我們進行觀測時，波函數才會坍縮，粒子才會確定地處于某一種狀態 。

測量導致波函數坍縮是哥本哈根學派詮釋的另一個重要觀點 。

當我們對一個量子系統進行測量時，系統的波函數會瞬間坍縮到一個特定的本征態，這個本征態對應著我們測量得到的結果 。例如，在測量電子的自旋時，電子的自旋狀態原本處于向上和向下的疊加態，但一旦我們進行測量，電子就會隨機地坍縮到自旋向上或自旋向下的本征態 。這種坍縮是瞬間發生的，且是隨機的，無法預先確定 。

哥本哈根學派的詮釋在一定程度上解釋了量子力學中的一些奇異現象，得到了許多物理學家的認可 。然而，它也引發了諸多爭議，其中最著名的反對者便是愛因斯坦和薛定諤 。

愛因斯坦和薛定諤對哥本哈根學派的解釋提出了尖銳的質疑 。他們堅信世界是確定性的，微觀粒子的行為應該遵循某種確定性的規律，而不是由概率和不確定性主導 。

愛因斯坦提出了 “上帝不擲骰子” 的觀點，表達了他對量子力學中不確定性的不滿 。他認為量子力學的不確定性只是因為我們目前還沒有發現隱藏在微觀世界背后的更深層次的規律，即 “隱變量” 。

如果能夠找到這些隱變量，就可以用一個確定性的理論來描述微觀世界，從而消除量子力學中的不確定性 。在 “薛定諤的貓” 實驗中，愛因斯坦無法接受貓會處于既死又活的疊加態這種違背常識的結果 。他認為在未打開盒子觀測之前，貓的生死狀態就應該是確定的，而不是處于一種不確定的疊加態 。

薛定諤同樣對哥本哈根學派的解釋深感不滿 。他提出 “薛定諤的貓” 這一思想實驗，本意就是為了諷刺并質疑哥本哈根學派所謂的 “疊加態” 。

他認為將微觀世界的不確定性原理應用到宏觀世界中，會導致像 “既死又活的貓” 這樣荒謬的結論 。在他看來，宏觀世界中的物體應該具有明確的狀態，不可能出現既死又活這樣違背常理的情況 。

薛定諤和愛因斯坦都認為量子力學對微觀世界的描述是不完備的，背后一定存在著尚未被揭示的更深層次的規律 。他們試圖通過這個思想實驗，將微觀世界的量子效應與宏觀世界聯系起來，以凸顯量子力學中疊加態概念的荒謬性 。

愛因斯坦和薛定諤與哥本哈根學派之間的爭論，引發了物理學界對量子力學本質的深入思考 。這場爭論不僅推動了量子力學的發展，也促使物理學家們不斷探索新的理論和實驗方法，以進一步揭示微觀世界的奧秘 。盡管目前哥本哈根學派的詮釋在量子力學中占據主導地位，但關于量子力學的本質和解釋的爭論仍在繼續，這也為物理學的發展帶來了新的機遇和挑戰 。

在 “薛定諤的貓” 實驗中，測量問題是核心爭議點之一。從物理學角度來看，測量是獲取物理系統信息的過程，但在量子力學中，測量卻有著特殊的意義 。

測量的定義在量子力學中變得模糊不清。它不僅僅是簡單地使用儀器獲取數據，還涉及到量子系統與測量儀器之間的相互作用 。這種相互作用會導致量子系統的狀態發生改變，也就是波函數的坍縮 。例如，在測量電子的位置時，我們使用的儀器（如探測器）與電子相互作用，使得電子的波函數從原本的疊加態坍縮到一個確定的位置態 。

測量是否與人類意識相關，這是一個極具爭議的哲學問題 。

一些物理學家認為，測量過程中意識起到了關鍵作用，如馮?諾伊曼就提出意識導致波函數坍塌的假說。他認為，觀測儀器也是由微觀粒子組成，其波函數的坍塌過程存在不確定性，而意識可能是引起這種不確定坍塌的原因 。

然而，這種觀點遭到了許多物理學家的反對，他們認為意識并不是一個基本的物理概念，而是一種復雜的生物現象，不能用來解釋量子力學的奧秘 。在大多數物理學家看來，測量導致波函數坍縮是量子系統與測量儀器之間的物理相互作用結果，與人類意識并無直接關聯 。

測量導致波函數坍縮的原因和意義也引發了深刻的思考 。哥本哈根學派認為，波函數的坍塌是由于外界能量攝入打破了孤立系統的波函數，使得量子系統從不確定的疊加態轉變為確定的本征態 。

這種坍縮是量子力學的基本假設之一，它解釋了為什么我們在測量時只能得到一個確定的結果 。然而，對于波函數坍縮的具體機制，目前仍然沒有一個完全令人滿意的解釋 。一些物理學家試圖通過引入新的理論來解釋波函數坍縮，如多世界詮釋、退相干理論等，但這些理論也都存在著各自的問題和爭議 。

在現實世界中，要實現 “薛定諤的貓” 實驗面臨著諸多困境 。其中最主要的原因是宏觀世界與微觀世界的巨大差異，使得宏觀物體難以維持量子疊加態 。

宏觀物體的量子疊加態非常不穩定 。宏觀物體由大量的微觀粒子組成，這些粒子之間存在著復雜的相互作用，并且它們還會與周圍環境發生頻繁的相互作用 。例如，宏觀物體中的原子會不斷地與周圍的空氣分子、光子等發生碰撞，這種相互作用會導致宏觀物體的波函數迅速失去疊加性，發生退相干，從而變成一個確定的狀態 。而在微觀世界中，微觀粒子相對孤立，與環境的相互作用較弱，因此更容易維持量子疊加態 。

宏觀物體和微觀粒子的粒子數差異也是一個重要因素 。

微觀粒子的數量相對較少，我們可以較為精確地控制和測量它們的狀態 。

例如，在實驗室中，我們可以通過激光冷卻等技術將單個原子或離子冷卻到極低溫度，使其處于量子疊加態 。然而，宏觀物體包含著巨大數量的粒子，要使如此多的粒子同時處于量子疊加態，目前的技術還無法實現 。

以 “薛定諤的貓” 為例，貓是一個宏觀物體，它包含著無數個原子，要讓貓處于既死又活的量子疊加態，需要精確控制每一個原子的狀態，這在現實中幾乎是不可能的 。

雖然在宏觀世界中難以實現 “薛定諤的貓” 這樣的實驗，但科學家們通過一些巧妙的實驗設計，在微觀世界和介觀世界中實現了類似的量子疊加態 。

例如，利用超導約瑟夫森結、離子阱等系統，科學家們成功制備出了宏觀量子比特，并實現了它們的量子疊加態和糾纏態 。這些實驗為研究量子力學的基本原理提供了重要的平臺，也為量子計算、量子通信等量子技術的發展奠定了基礎 。