猫死了两天又活了,既死又活的悖论：“薛定谔的猫”

薛定谔是波动力学的奠基人，但对波恩的概率解释不满意，对哥本哈根学派的量子力学解释更不满意。 他和爱因斯坦一样，骨子里是个顽固的古典派，认为世界是确定的。 如果表面上不确定，那一定是因为我们不了解这个世界。

一直以来，我们都充分了解到量子力学的哥本哈根学派认为量子力学是世界的一切。 量子力学认为世界是不确定的。 例如，在某一时刻粒子的位置完全不确定。 或者，在我们测量这个粒子的位置之前，这个粒子可以在这里，也可以在那里，可以说这里和那里只有一个概率分布。

为了从根本上驳倒不确定性的解释，薛定谔设计了一个可怜的猫是死是生的思想实验。 薛定谔说，猫并不是处于这种状态，所以量子力学不是世界的最终解释。

那么，薛定谔是如何设计这个思想实验的呢？ 物理学家们如何理解这个思想实验？

事实上，在1935年，在薛定谔考虑他的思想实验之前，爱因斯坦和他的朋友们设想了EPR思想实验，即爱因斯坦-波德斯基-罗森的悖论。 这是下节课要说的内容。 薛定谔在杂志上看到了这个实验，并设计了更有名的实验。 也就是说，薛定谔反对哥本哈根学派很久了，他考虑做这个实验。

薛定谔把猫关在了一个不透明的箱子里。 这个箱子足够大，里面有空气，可以让猫好好地生活。 箱子里还设置了随时瓦解铀等不稳定原子核的设置。 原子核的不稳定性是19世纪后半期由物理学家发现的，其实这一发现也是构成量子力学的基础之一。 俄罗斯著名物理学家加莫夫说：“原子核衰变的过程可以用严密的量子力学来描述。” 这句话意味着原子核的衰变和不衰变也是由波函数描述的，是概率的。 例如，到了下一个时刻，一个原子核衰变的可能性为50%，不衰变的可能性也为50%； 再下一个时刻，崩溃的可能性可能会增大。 崩溃的可能性为75%，不崩溃的可能性只有25%。 总之，处于崩塌和不崩塌的重合状态。

箱子里除了随时都会衰变的这个原子核外，还有物理学家盖革和米勒共同发明的盖革米勒计数器。 它可以捕捉原子核衰变的产物，一接触到这个产物，它就发出“咯嗒咯嗒”的声音，爆炸它所连接的毒气瓶，用手枪代替毒气瓶射击，可以用任何方法杀死这只猫

总之，原子核衰变和不衰变的概率波函数导致了毒气罐爆炸和不爆炸的概率波函数，同时也导致了这只猫的死活波函数。 也就是说，这只猫有可能死，这是量子态； 也有可能还活着。 这又是量子态。 因此，这只猫在任何时候都是活着和死了重叠的。

那么，这只猫是死了还是活着？

打开箱子，发现这只猫是活着的，猫就是活着的状态。发现猫死了，猫就是死了的状态。 但是，打开箱子后，你绝对注意不到这只猫既不是死的也不是活的，或者它不是死的也不是活的。 所以，薛定谔认为，他精心设计的思想实验有力地反驳了哥本哈根学派的观点。

到今天为止，“薛定谔的猫”已经讨论了将近100年。 当然，实际上没有人做这个实验。 实际做了一下，确实如薛定谔所说，打开箱子，猫要么死了，要么活了，没有人会看到猫处于生与死的叠加状态。

之后，研究原子核的著名物理学家维格纳设计了使用被称为“维格纳朋友”的人类工具的实验。 代替这只猫的是一个大活人，别人不需要观察他。 因为在箱子里的人有意识。 当他在箱子里的时候，他可以自己观测自己，感觉自己是死是活。 当然，他肯定感觉不到自己死了也不是活的，或者说死了也不是活的。 “维格纳之友”也反驳了哥本哈根学派对不确定性波函数的解释吗？ 当然，因为冒着被毒气毒死的危险，所以没有人尝试这个实验。

然而，尽管我们不敢用猫或人做实验，物理学家确实实现了“薛定谔的猫”这个实验。 当然，我们用的不是真的猫，而是体积大的小物质。 它确实可以同时处于两种不同的状态。

我刚才提到了盖革米勒计数器，现在谈谈这个计数器。 “薛定谔的猫”的实验依赖于将微观不确定性波函数扩大到宏观不确定性波函数的基础。 盖革-米勒计数器可以实现这个前提条件。 在盖革镜计数器中填充有机气体或卤素蒸汽，可以吸收光子。 带电粒子入射到柜台中的气体后，离子开始增加，发出紫外线。 光电效应可以通过光激发更多的电子，电子引起更多的离子，在管中引起放电现象来计数。 盖革-米勒计数器灵敏度很高，现在可以在店里购买，测试我们周边的辐射。 例如，据说福岛的放射能泄露导致的放射能污染很严重，去日本旅行之前可以买盖革米勒计数器随身携带进行测量。

盖革-米勒计数器确实可以将微观波函数扩大为宏观波函数，但“维格纳朋友”的实验表明，一个人的意识是生是死，没有生与死的重合状态。 那么，令人怀疑的是，“薛定谔的猫”和“维格纳的朋友”是否彻底反驳了哥本哈根学派的解释。

经过多年的发展，现在还可以进行将几个巨大物体扩大到一个量子叠加态的实验。 例如，约1.6亿个光子可以处于两个不同的叠加状态，一个沙砾大小的磁鼓可以处于振动和无振动的叠加状态，在超导体中可以实现同时左流右流的电流叠加状态。 斯坦福大学的线性加速器实验室还利用“薛定谔的猫”原理制作了原子运动的“x光片”，可以更清晰地展现原子运动的细节。 这些都是实际实验中的“薛定谔的猫”。

这些“薛定谔的猫”中没有一个有生命。 所以，问题依然存在。 真正有生命的薛定谔的猫可以处于生与死的叠加状态吗？

答案是否定的。 因为，一只猫必须保证周围有空气，尽管它有可能被毒气杀死。 物理学家发现，只要猫和环境接触，就不是生与死两种状态。

前述砂砾般大小的滚筒可以处于振动和无振动的叠加状态，但需要将该滚筒与环境隔离。 否则，滚筒受环境的影响，并不是处于振动和不振动的状态。

其实，在薛定谔设计《薛定谔的猫》之前，我和玻尔有过一场非常不愉快的争论。 在薛定谔发现波动力学的两年后，有一次，我去哥本哈根见了玻尔。 薛定谔不同意哥本哈根的解释，所以他和玻尔争论起来。 这场争论持续了好几天，两人僵持不下，互不相让，都不想放弃自己的立场，但也说服不了对方。

玻尔的房子很豪华，是嘉士伯啤酒公司赠送的。 当时，嘉士伯公司为了表彰玻尔对物理学的巨大贡献，将一座巨大的别墅赠送给玻尔。 薛定谔和玻尔在玻尔的别墅争吵了几天，玻尔精神饱满，但薛定谔再也站不住了，只能躺在床上。 玻尔的妻子很善良，负责家人的日常生活。 给薛定谔准备了茶和咖啡等各种各样的饭菜，侍奉着躺在床上的薛定谔。 床上的薛定谔还在和玻尔争论着。 他们不仅在那个时候，在那之后也没有说服对方。 随后，薛定谔提出了一个著名的思想实验，即“薛定谔的猫”。

“薛定谔的猫”是一个扩大了量子力学不确定性的思想实验，这个实验是猫做不到的，但是在其他宏观物体上实现了。 薛定谔为了驳倒哥本哈根学派提出的实验，最终，经过科学家的长期努力，支持哥本哈根学派，论证了世界是不确定的。