第四十一章：薛定谔的猫是不存在的！

在量子力学中，有一个假想实验，叫薛定谔的猫。想必大家都听说过，可是你仔细思考过这个问题吗？ 薛定谔的猫究竟存不存在？薛定谔的猫究竟是死还是活？ 这个问题的本质是什么？

薛定谔猫是奥地利物理学者埃尔温·薛定谔于1935年提出的一个思想实验。通过这思想实验，薛定谔指出了应用量子力学的哥本哈根诠释于宏观物体会产生的问题，以及这问题与物理常识之间的矛盾。在这思想实验里，由于先前发生事件的随机性质，猫会处于生存与死亡的叠加态。

根据退相干理论，猫不可能永远处于生存与死亡的叠加态，由于环境的影响，很快地会产生退相干效应，猫改而处于生存或死亡的经典统计学状态，因此，一般而言，绝对无法观察到这生存与死亡的叠加态。

1935年，薛定谔原本目的是在用这思想实验来讨论EPR吊诡（因发表者阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基、纳森·罗森而命名）。EPR论文凸显了量子纠缠的怪异性质。假设两个量子系统相互作用，然后彼此分离，但其中任意系统都不处于明确态，则它们的量子态会叠加在一起，共同形成的量子态具有量子纠缠特性。

根据哥本哈根诠释，当其中任意系统被测量之时，则两个系统纠缠在一起的量子态会坍缩为明确态。那时，薛定谔与爱因斯坦常互相通信，交换意见，研讨EPR论文的相关问题。

在爱因斯坦写给薛定谔的8月8日信件中，他勾勒出一个“粗略宏观案例”：给定一桶不稳定的火药，在经过一段时间后，这桶火药会处于爆炸与不爆炸的叠加状态。

为了更进一步说明这现象，薛定谔回信描述原则上怎样能够将原子系统的叠加态转移至大尺度系统。

他提出一个思想实验，假设把一只猫、一个装有氰化氢气体的玻璃烧瓶和放射性物质放进封闭的盒子里。猫的性命因此与原子核的状态密切相关。

薛定谔表明，根据哥本哈根诠释，在实验进行一段时间后，猫会同时处于活状态与死状态（对于盒子外的世界而言），直到盒子被打开为止。

薛定谔并不想要推销周旋于生死之间的猫这点子；恰恰相反，这吊诡采用的是一种经典反证法，试图借此显露出描述量子态所需倚赖的量子理论尚存瑕疵。

薛定谔的原文是这样的：实验者甚至可以设置出相当荒谬的案例来。把一只猫关在一个封闭的铁容器里面，并且装置以下仪器（注意必须确保这仪器不被容器中的猫直接干扰）：在一台盖革计数器内置入极少量放射性物质，在一小时内，这个放射性物质至少有一个原子衰变的概率为50%，它没有任何原子衰变的概率也同样为50%；假若衰变事件发生了，则盖革计数管会放电，通过继电器启动一个榔头，榔头会打破装有氰化氢的烧瓶。

经过一小时以后，假若没有发生衰变事件，则猫仍旧存活；否则发生衰变，这套机构被触发，氰化氢挥发，导致猫随即死亡。用以描述整个事件的波函数竟然表达出了活猫与死猫各半纠合在一起的状态。

类似这典型案例的众多案例里，原本只局限于原子领域的不明确性被以一种巧妙的机制变为宏观不明确性，只有通过打开这个箱子来直接观察才能解除这样的不明确性。

它使得我们难以如此天真地接受采用这种笼统的模型来正确代表实体的量子特性。就其本身的意义而言，它不会蕴含任何不清楚或矛盾的涵义。但是，在一张摇晃或失焦的图片与云堆雾层的快照之间，实则有很大的不同之处。

上面是薛定谔的原文思想，关于这个问题的回答，有很多个版本。在这里我不重述这些版本内容，内容太多。

但我强调人要做的事情是什么呢？是将复杂的问题简单化。

在这个问题上，人要将问题简单化，必须有这么几个前提。细心的朋友会注意到，其实我在本书第二章，就有提到过关于玻尔和爱因斯坦的争论。我说：“上帝让人类掷骰子。”

其话意思是上帝不掷骰子，真正掷骰子的是人！！ 所以人一定要小心，而且自信。

那么回答我开头所提到的问题：薛定谔的猫究竟是死还是活？是半死不活的叠加态吗？

答案是很明确的：猫不可能是死和活的叠加态！必须不可能！

如果承认猫是死和活的叠加态，那么我们现实中的所有人，也都是处于这样的状态。

为什么猫不可能处于死和活的叠加态？ 如果你注意薛定谔实验设想，你就知道，这个实验是不可能。

薛定谔说：把一只猫关在一个封闭的铁容器里面，并且装置以下仪器（注意必须确保这仪器不被容器中的猫直接干扰）。

这是他开头的第一句话。试问大家猫会不会影响到仪器？ 猫是有辐射的，万物皆有辐射。所以就不能避免影响。第一点就不能保证。

外部环境也是这样的。一开头就写道了：根据退相干理论，猫不可能永远处于生存与死亡的叠加态，由于环境的影响，很快地会产生退相干效应，猫改而处于生存或死亡的经典统计学状态，因此，一般而言，绝对无法观察到这生存与死亡的叠加态。”

这是开头的介绍，我认为还不够精确。应该说猫从来就没有处于过活和死的叠加态。

什么叫退相干性原理，定义是这样的：在量子力学里，开放量子系统的量子相干性会因为与外在环境发生量子纠缠而随着时间逐渐丧失，这效应称为量子退相干。

量子退相干是量子系统与环境因量子纠缠而产生的后果。由于量子相干性而产生的干涉现象会因为量子退相干而变得消失无踪。量子退相干促使系统的量子行为变迁成为经典行为，这过程称为“量子至经典变迁”。

德国物理学者汉斯·泽贺（英语：Heinz Zeh）最先于1970年提出量子退相干的概念。自1980年以来，量子退相干已成为热门研究论题。

实际而言，不存在孤立系统，特别是不存在孤立宏观系统，通过某种方式，每个量子系统都会持续地与外在环境耦合，发生量子纠缠，从而形成纠缠态。因此，量子退相干可以视为存在于量子系统内部的相干性随着时间流易而退定域（delocalize）至量子系统与环境所组成的纠缠系统，换句话说，量子系统内部的几个成分彼此之间的相位关系，会逐渐地退定域至整个系统，也就是说，量子系统的相位信息会持续地泄露至环境，从而有效地促使伴随着相干性的干涉现象消失无踪。

量子退相干能够解释为什么不会观察到干涉现象，但是，量子退相干能否解释波函数坍缩的后果，这论题至今仍旧存在巨大争议，一个很重要的原因就是，很难将这论题跟量子力学的诠释做分割，而人们各自有各自青睐的诠释。

量子退相干不是一种量子力学诠释，而是利用量子力学分析获得的结果。它严格遵守量子力学，并没有对量子力学的基础表述做任何修改。很多完成的量子实验已证实量子退相干的存在与正确性。

所以薛定谔所描述的实验，是无法隔绝微扰的。一般大家会讨论的是观测者对实验的影响，仪器对实验的影响等等，其实就是这个原因。

好了，这一点现在确定了，从内到外，都不能保持实验系统的独立性。在这个基础上我们才能进行讨论。

但是其实讨论已经缺乏必要性，因为已经不再符合薛定谔的描述。这就是为什么猫不可能处于生和死的叠加态。

那么猫会处于什么状态？ 将问题转化，简单化。盒子是透明的，猫换成人。

有人会问，这样可以换吗？ 我反问：盒子的颜色对实验有影响吗？人是生命吗？

即使这样，我再问你：“下一分钟猫是死的还是活的？” 你也不能给我确定回答，得到了下一分钟才知道情况。但答案一定是要么活，要么死，不可能是两者的叠加态。

但这一秒，猫是活还是死，观测者是看的到的。

把猫换成人，其实没多大的本质意义，不是为了让人自己发出信号。说他活着或要死了。而且让人去思考，你在里面真的可以体验到那种“生和死的叠加态吗？”

还有一些科学家，学者提出多世界观点，来解释薛定谔的猫。看过我科普书籍《变化》的朋友肯定知道，我是持反对意见的。

这只是想象力的问题，不是现实的问题。高维度空间值得怀疑，大家可以去读读我在《变化》中的论述。

所以世界可以存在的想象之中，但想象之中的世界不是现实世界。如果想象世界等于事实，那么世界上就不会存在问题。

比如就薛定谔的猫来说，有一个人无所不知，记住这个人无所不知！

那么薛定谔的猫是死，还是活，你什么时候问他，他都能给你确定的答案。

听懂了吗，各位。如果想象世界等于事实，那么世界上就不会存在问题。

但现实世界问题众多，就像维特斯坦思考的那样：世界是怎么存在的这不奇怪，奇怪的是世界为什么存在着？

很多问题，现在不回答。比如量子世界与宏观世界的间隔界限标准是什么？

现在不能回答，不代表这个世界是不确定的。我一直说世界是确定的。量子世界也是确定的！上帝让人类掷骰子。我说的是事实，我传递的是希望。

我们知道不确定性的概率，难道这不是一种确定吗？ 我们知道世界是确定的，我们不能回答某个问题，是因为我们无法掌握全部系统的每一个要素和每一个要素之间的关联。

贝尔不等式，即任何关于定域隐变数的物理理论无法复制量子力学的每一个预测。给了我们很大启发。也就是说不存在完备隐变量理论。所以也就打破了薛定谔最初设想薛定谔猫的意图。

在我的认识里，宇宙还是一个开放的系统，所以全部掌握这个系统是一个无限挑战。但世界是确定无疑的。

人类发展史，印证了这一点。所以我赞同马克思的认识论观点。人要相信自己才会获得成长，否则就会迷失。

对于现在的我们，我们这样的年轻人，更应该是这样。薛定谔猫很真实。大家要相信它的真实。而不是它又是活，同时还死。

我记得在文章中，我说过如果我们赞同猫是处于死和活的叠加态，那么我们也处于这样的状态。

我们生活在地球上，地球不是一个盒子吗？在地球上触发大的核爆是可能的。 那么我们是处于什么状态？？ 你现在是活，还是死？你不知道吗？

这就是我为什么要将猫换成人。猫换成人没有本质区别，但人具有主观思考。

可是我在上面还说了，人一定要小心，且自信。 是因为人有主观的一面。就拿热来说，“热”这个词不是客观的，是主观的。“热现象”是客观的。对于人类来说是热，对于石头来说，热是什么也没有的感觉。

同一个事物，可以有不同的称谓。伴侣有人叫老婆，有人叫贱内，有人叫婆姨，还有人叫baby。

一切科学都可以上升到哲学层次做总结认识，但一切哲学认识需要用语言来表述。所以这是件很值得谨慎的事情。所以有语言哲学这样的研究，我认为很必要。

读到这里本章的内容思想，已经表达的很清楚了。但少了一些逻辑的表述。在理解薛定谔猫的时候，很多人会把叠加态和混合态混了。所以从这一方面，感谢兴趣的可以继续阅读下文。

量子系统所处的任何一个量子态，都有多种方法分解为若干其他量子态的叠加，就好像一个向量总是有多种方法分解为若干向量一样。

如果一个量子态S可以分解为量子态X和Y的叠加，可以写成S=aX+bY（a和b是两个复数系数）。

再次提醒，这种分解有N多种方法：S = aX+bY = a'X'+b'Y'+c'Z'+... 学过向量加法的同学们应该知道，S虽然可以写成X和Y的线性叠加，但S显然既不是X也不是Y，说S既是X又是Y也不对，甚至说S部分处于X，部分处于Y也非常不合适，因为S在任何不跟S正交的量子态上都有非零的分量。

事实上，S是一个跟X和Y都不同的新的量子态。如果你选取了一组正交完备的量子态作为基向量，那么任何一个量子态S都可以在这组基向量上做唯一的分解。

这种正交完备的基向量组的选择也不是唯一的，有无穷多种不同的选择。

那么什么是混合态呢？如果系统处于某个明确的量子态，但我们却不知道到底是哪一个，只知道系统可能以一定的概率分布处于若干量子态之一，那么这种情况下我们说体系处于这若干量子态的概率混合，简称混合态。

但必须明确一点，混合态不是量子态，只是若干量子态上的一个概率分布。一个处于混合态的系统的实际量子态完全是明确的，只是我们这些观察者并不知道具体是哪一个而已，这跟前面解释的叠加态的含义完全不同。

量子力学实验中所谓的测量，就是让『被测量子体系』跟『仪器+观察者+环境』这个大系统发生相互作用。

由于后者是个硕大无比的宏观体系，其具体的量子态信息我们根本就不可能了解，所以我们根本就没可能明确计算测量后被测体系到底会进入测量方式所选定的哪一个基向量上，只能做统计预测。

而统计预测的规则很简单：测量后被测体系量子态进入基向量X的概率，正比于测量前被测体系的量子态S在基向量X上投影长度的平方，这就是量子力学中的测量原理。

早年人们在对这个原理的理解很糊涂，导致了波尔和爱因斯坦在这个原理的诠释上旷日持久到死都没结果的争论。后来有人做了贝尔不等式的实验，实验结果不支持爱因斯坦关于量子力学局域完备性性的观点，但却被大量错误地引申成了玻尔战胜了爱因斯坦。

事实上玻尔对测量原理提出的哥本哈根诠释在贝尔不等式的实验中根本就不涉及。

还有一件事，做量子力学实验，通常要将被测量子体系与仪器环境的相互作用彻底隔离，相互间连热交换都不能有，否则在测量之前被测体系的状态就已经乱掉了。

虽然某些实验中如果相互作用非常微弱也可以通过一些手段纠正消除环境干扰，但尽可能地隔绝环境相互作用是非常必要的。隔离个把原子不长的时间是比较容易做到的，目前也可以隔离病毒尺度的物体，尺度越大隔离就越难。

把像猫，老鼠，人等这么大的东西跟外部环境几乎彻底隔绝，是不可想象的。上面提到退相干性，大家肯定记得。

如果不能做到几乎是完美的隔离，那么被测体系根本就不可能处于那组基向量的叠加态，也就谈不上什么薛定谔猫佯谬了。这就是为什么薛定谔猫佯谬提出之后大家始终在争论却一直没办法直接进行试验验证的原因。

接下来的讨论中我们暂且假定在技术上终于能够满足上述隔离要求。下面我们就可以开始谈薛定谔猫这个思想实验了。

虽然在打开盒子之前，盒内体系时刻都处于明确的量子态，但由于这个系统仍然很巨大，所以我们并没有办法对结果做出明确的预测，只能谈概率。因此在打开盒子之前，猫要么已经被杀死，要么没有被杀死，但并不会处于某种“不死不活”或“稀里糊涂”的量子态。

这就是本章的内容，希望可以解开你薛定谔猫的迷惑。

摘自独立学者，科普作家，国学起名师灵遁者量子力学书籍《见微知著》