在科學(xué)構(gòu)建的理論體系中，我們不屬于這個(gè)物質(zhì)的世界。我們不在這個(gè)世界中，在世界之外，我們只是世界的觀察者。而認(rèn)為我們?cè)谶@個(gè)世界的原因是我們的身體在這個(gè)世界，不僅僅我的身體，我周圍的朋友、貓、狗、房子和所有的生物都在這個(gè)世界里，這也是我跟他們交流的唯一途徑。
—— 埃爾溫?薛定諤（1887–1961）
量子力學(xué)中有許多歷史悠久的思想實(shí)驗(yàn)，其中大多數(shù)都是用來(lái)指出量子力學(xué)中的破綻。理論物理學(xué)家、量子力學(xué)的先驅(qū)之一埃爾溫?薛定諤設(shè)想了這樣一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：
把一只貓關(guān)在裝有放射源及有毒氣體的封閉容器里。放射源在單位時(shí)間內(nèi)有一定的幾率會(huì)發(fā)生衰變，當(dāng)檢測(cè)到放射源衰變時(shí)，有毒氣體就會(huì)釋放，貓就會(huì)死；如果放射源沒(méi)有發(fā)生衰變的話，貓就存活。
量子力學(xué)中的哥本哈根詮釋（Copenhagen interpretation）指出：物理系統(tǒng)的屬性并不是確定的，只能用量子力學(xué)的概率術(shù)語(yǔ)來(lái)衡量系統(tǒng)的屬性，而且測(cè)量的行為會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，造成概率集縮小到許多可能值中的一個(gè)，這種情況被稱為波函數(shù)坍縮（wave-function collapse）。
舉例來(lái)說(shuō)：在你看月亮之前，月亮是任意可能的狀態(tài)，比如說(shuō)滿月、半月、新月等。但是只要你一看，月亮就會(huì)坍塌到一種可能的狀態(tài)。因此，觀測(cè)這種手段，在量子力學(xué)中扮演著重要的角色?？紤]上面的思想實(shí)驗(yàn)，這意味著過(guò)了一段時(shí)間之后，貓同時(shí)活著和死去。當(dāng)你向盒子里面看的時(shí)候，這瞬間你就會(huì)看到貓是活著或是死了，而不是既死去又活著。
這里有一個(gè)問(wèn)題，那就是量子疊加態(tài)是什么時(shí)候結(jié)束的，什么時(shí)候坍塌到其中一種可能的狀態(tài)？量子疊加不適用于大型物體，比如說(shuō)貓，因?yàn)樯锊⒉荒芡瑫r(shí)活著和死亡。因此，薛定諤判定，哥本哈根詮釋必然存在內(nèi)在的缺陷。薛定諤的貓?jiān)噲D通過(guò)擴(kuò)大哥本哈根詮釋的規(guī)模來(lái)指出這個(gè)解釋到底有多奇怪。
你有一個(gè)裝著貓的盒子，盒子里有一個(gè)滿足這樣設(shè)定的處于疊加態(tài)的粒子：當(dāng)粒子處于一個(gè)狀態(tài)時(shí)，貓會(huì)中毒死亡；當(dāng)粒子處于另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，貓會(huì)平安無(wú)事。
由于貓的存活狀態(tài)由粒子的狀態(tài)決定，那么如果粒子是處于疊加態(tài)，貓也一定處于疊加態(tài)。
根據(jù)哥本哈根詮釋，貓實(shí)際上是既活又死的，當(dāng)你打開盒子看的時(shí)候，貓才會(huì)處于一個(gè)狀態(tài)。這里有一個(gè)關(guān)于觀測(cè)（observe）的重要問(wèn)題：貓是觀測(cè)者么？
為了理解這個(gè)，需要先理解“觀測(cè)者”的概念。量子力學(xué)中的觀測(cè)者跟觀測(cè)者效應(yīng)緊密相關(guān) —— 其中觀測(cè)的行為必然會(huì)跟被觀測(cè)的物體存在相互作用，在相互作用中影響物體的特性。貓和打開盒子的人一樣有權(quán)被稱為觀測(cè)者，因?yàn)樗欢梢愿鶕?jù)是否存在有毒氣體來(lái)判斷粒子是否發(fā)生衰變。貓會(huì)持續(xù)地觀察盒子里面的空氣，會(huì)永久地將裝有毒氣體的小瓶坍塌到“破碎”或者“完整”的狀態(tài)。
這并不像看起來(lái)的那樣好理解。
這里，打開盒子的人和盒子里面貓都可以看做是觀測(cè)者或者非觀測(cè)者。按照這個(gè)邏輯，釋放毒氣的瓶子可以算作是勘測(cè)衰變的測(cè)量裝備，因此也可以被視為觀測(cè)者或是探測(cè)器么？它不是在不斷地使放射性同位素的波函數(shù)坍塌么？在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的哪個(gè)點(diǎn)上疊加被破壞了呢？
這引出了另一個(gè)問(wèn)題：觀測(cè)者到底是什么？任意一個(gè)物體都可以被看做是觀測(cè)者嗎？如果一切都是觀測(cè)者，為什么我們會(huì)看到量子效應(yīng)？
為了解決這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)物理學(xué)家休?埃弗雷特（Hugh Everett）提出了一種美麗的詮釋，稱為量子力學(xué)的多世界詮釋（Many-Worlds Interpretation），該解釋于 1957 年首次發(fā)表在他的博士論文中。
詮釋認(rèn)為，一般的波函數(shù)是客觀真實(shí)的，不存在波函數(shù)坍縮。這意味著量子測(cè)量的所有可能結(jié)果都在某些“世界”或宇宙中物理實(shí)現(xiàn)。因此，這個(gè)奇怪的想法從另一個(gè)角度看待整個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，表明量子力學(xué)中“薛定諤的貓”悖論是一系列事件，每一個(gè)量子事件都是分支點(diǎn)。即使在盒子打開之前，貓也有活著或者死亡的情況，但這些“活著”或者“死去”的貓?jiān)谟钪娴牟煌种е卸际钦鎸?shí)存在的，但彼此之間并不關(guān)聯(lián)。
1935 年，諾貝爾物理學(xué)得主、奧地利物理學(xué)家埃爾溫?薛定諤提出的這一例證指出：量子理論者們認(rèn)為的微觀層面上物質(zhì)的性質(zhì)和行為，和普通人認(rèn)為的肉眼可見(jiàn)的宏觀層面上觀測(cè)到的物質(zhì)的性質(zhì)和行為之間，存在著不合邏輯的矛盾。
多年以來(lái)，薛定諤的貓一直被用來(lái)類比闡述量子力學(xué)中新興理論間的差異。比如說(shuō)在多世界詮釋理論中，貓既是死的又是活的，因?yàn)橛^察者和貓代表兩種現(xiàn)實(shí)：一種的貓死了，另一種的貓活著。據(jù)說(shuō)，薛定諤本人在晚年曾說(shuō)過(guò)，他希望自己從未見(jiàn)過(guò)那只貓。
在觀察非常微觀的世界時(shí)，粒子和波是同等重要的，在這個(gè)尺度下，我們不能用已知的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷事物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律…… 所有的經(jīng)驗(yàn)都是錯(cuò)的，沒(méi)有任何類似的物理例子來(lái)類比原子內(nèi)部發(fā)生了什么。這時(shí)候，原子就像原子，沒(méi)有其他的比喻。
—— 約翰?格里賓（John Gribbin）
原文鏈接：
https://www.cantorsparadise.com/schr%C3%B6dingers-cat-the-most-bizarre-thought-experiment-in-physics-94fb3b0e962b
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Physics History，翻譯：Nuor，審校：zhenni
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