薛定谔之猫

薛定谔之猫
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薛定谔之猫
中文名称：薛定谔之猫别称："薛定谔的猫" 提出者：埃尔温·薛定谔

"薛定谔之猫"是关于量子理论的一个思想实验，薛定谔之猫的概念提出是为了反对量子理论中的二元解释以及统计解释。

背景知识

什么是薛定谔的猫[1] ?这要从头说起。薛定谔(E.Schrodinger，1887-1961)是奥地利著名物理学家、量子力学的创始人之一，曾获1933年诺贝尔物理学奖。量子力学是描述原子、电子等微观粒子的理论，它所揭示的微观规律与日常生活中看到的宏观规律很不一样。处于所谓"叠加态"的微观粒子之状态是不确定的，例如:电子可以几乎同时位于几个不同的地点，直到被观察测量(观测)时，才在某处出现。这种事如果发生在宏观世界的日常生活中，就好比:我在家中何处是不确定的，你看我一眼，我就突然现身于某处--客厅、餐厅、厨房、书房或卧室都有可能，而在你看我之前，我像云雾般隐身在家中，穿墙透壁到处游荡。这种"魔术"别说常人认为荒谬，物理学家如薛定谔也想不通。于是薛定谔就在1935年编出了这个佯谬，以引起注意。薛定谔想要借此阐述的物理问题是:宏观世界是否也遵从适用于微观尺度的量子叠加原理。"薛定谔的猫"佯谬巧妙地把微观放射源和宏观的猫联系起来，旨在否定宏观世界存在量子叠加态。是薛定谔试图证明量子力学在宏观条件下的不完备性而提出的一个思想实验。^[1]

详细内容

把一只猫放进一个不透明的盒子里，然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核和一个装有有毒气体的容器的实验装置。设想这个放射性原子核在一个小时内有50%的可能性发生衰变。如果发生衰变，它将会发射出一个粒子，而发射出的这个粒子将会触发这个实验装置，打开装有毒气的容器，从而杀死这只猫。根据量子力学，未进行观察时，这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态，但是，如果在一个小时后把盒子打开，实验者只能看到"衰变的原子核和死猫"或者"未衰变的原子核和活猫"两种情况。薛定谔在1935年发表了一篇论文，题为《量子力学的现状》，在论文的第5节，薛定谔描述了那个常被视为恶梦的猫实验:哥本哈根学派说，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。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/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。那么让我们把这个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态。薛定谔想象了一种结构巧妙的精密装置，每当原子衰变而放出一个粒子，它就激发一连串连锁反应，最终结果是打破箱子里的一个毒气瓶，而同时在箱子里的还有一只可怜的猫。事情很明显:如果原子衰变了，那么毒气瓶就被打破，猫就被毒死。要是原子没有衰变，那么猫就好好地活着。这个理想实验的巧妙之处，在于通过"检测器-原子-毒药瓶"这条因果链，似乎将铀原子的"衰变-未衰变叠加态"与猫的"死-活叠加态"联系在一起，使量子力学的微观不确定性变为宏观不确定性;微观的混沌变为宏观的荒谬--猫要么死了，要么活着，两者必居其一，不可能同时既死又活!难怪英国著名科学家霍金听到薛定谔猫佯谬时说:"我去拿枪来把猫打死!"

深刻意义

一只猫同时又是死的又是活的?它处在不死不活的叠加态?这未免和常识太过冲突，同时在生物学角度来讲也是奇谈怪论。如果打开箱子出来一只活猫，那么要是它能说话，它会不会描述那种死/活叠加的奇异感受?恐怕不太可能。换言之，"薛定谔猫"概念的提出是为了反对量子理论中的二元解释以及统计解释。薛定谔猫佯谬实际上提出了一个十分重要的问题:什么是量子力学的观测?观察或测量都与人的主观有关，而人在箱外，所以必须打开箱子才能决定猫的死活。谁都知道箱中猫的死活是由铀的衰变决定的--衰变前猫是活的，衰变后猫就死了，这与是否有人打开箱子进行观察毫不相干。所以毛病出在观测的主观性上，应该朝这个方向寻根究底。微观的观测与宏观的观测有所不同。宏观的观测对被观测对象没有什么影响。俗话说:"看一眼总行吧。"意思是对所看之物并无影响，用不着担心。微观的观测对被观测对象有影响，会引起变化。以观测电子为例，要用光照才能看见，光的最小单位光子的能量虽小但不是零，光子照到被观测的电子上，对电子的影响很大。所以，在微观世界中看一眼也会惹祸!量子力学认为，观测的结果使得被观测对象的状态改变了:一个确定态从原先不确定的叠加态中蹦了出来。再追究下去，观测无非是观测手段(如光子)与被观测对象(如电子)之间的一种相互作用，这种相互作用并不一定与观测者联系起来，后者可以用检测器之类的仪器代替。经过几十年的探索，物理学家终于认识到:在由叠加态到确定态的转变中，观测曾经扮演的角色应该以相互作用来代替，这样不仅更普遍而且更客观。具体到薛定谔猫佯谬，就能将人的主观因素完全排除--猫的死活不是由人开箱看猫一眼所决定的。读者会说:"不就是一只假想的猫吗，让霍金开枪打死不就完了。"事情并非那么简单，否则许多物理学大师就不会那么孜孜以求了。薛定谔猫佯谬衍生出更深刻的问题:大量原子、分子所构成的生物与这些微观粒子遵从的量子力学规律之间的关系究竟是什么?这不仅是重要的理论问题，而且具有实际意义。例如，自我意识的机制至今仍然是未解之谜，有人认为可能与量子力学或者更深层次的微观规律有关。再如思维过程中的"顿悟"，会不会与前述之"一个确定态就从原先不确定的叠加态中蹦了出来"有关呢?可能有关的还有:生命的起源、物种的变异、光合作用的机制……如此等等。总之，生命的秘密和思维的奥妙不可能与量子力学的规律无关。这就难怪薛定谔后来转而对生命科学很感兴趣了。1946年他写出了著名的《生命是什么》一书，提出了一些很有创见的观点。遗憾的是，在他有生之年，那可怜的箱中之猫依然生死不明。"薛定谔猫"是被作为质疑量子力学的极端例子提出来的，但围绕着它一系列量子力学基本问题的研究，其寓意是十分深刻的。一方面，薛定谔猫为我们提供了从量子力学过渡到经典力学的范例，使人们充分领略到退相干过程的基本物理含义，并寻求比量子力学更基本的底层理论;另一方面，由于人们能够在特殊的条件下，制备出各种各样薛定谔猫态，使得量子力学适用的领域，从微观直接延伸到宏观，其进一步应用有可能发现新的、更宜于实际实现的量子信息载体。的确，站在量子与经典边界上的"薛定谔猫"告诉了我们许多自然界的秘密，虽然到目前为止，我们尚不能确切地知道这个边界究竟在哪里。寻求量子与经典边界的研究，或许会导致二十一世纪物理学的重大进展。

实验研究

物理学是实验科学，一切要由实验来判定。较早的一批关于"薛定谔猫"的实验是将处于叠加态的单个原子或分子从周围环境中孤立起来，然后以可控制的方法使之相互作用，以观察其变化。结果发现，关键在于环境的相互作用，它导致原先的量子叠加态转变为经典的确定态。但是将这些实验对象当作薛定谔猫是一种极度的简化，单个原子或分子与薛定谔猫相去何止十万八千里。1996年5月，美国科罗拉多州博尔德的国家标准与技术研究所(NIST)的Monroe等人用单个铍离子作成了"薛定谔的猫"并拍下了快照，发现铍离子在第一个空间位置上处于自旋为正的状态，而同时又在第二个空间位置上处于自旋为负的状态，而这两个状态相距80纳米之遥!(1纳米为1米的十亿分之一)--这在原子尺度上是一个巨大的距离。想像这个铍离子是个通灵大师，他在纽约与喜马拉雅同时现身，一个他正从摩天楼顶往下跳伞;而另一个他则正爬上雪山之巅!--量子的这种"化身博士"特点，物理学上称"量子相干性"。在早期的杨氏双缝实验中，单个光粒子即以优美的波粒二象性，轻巧地同时穿过两条狭缝，在观察屏上制造出一幅美丽的明暗相干条纹。2000年7月，《自然》报道了最新的实验结果。这次《自然》报道的实验与上述那些实验不同。纽约州立大学石溪分校弗里德曼(J. R. Friedman)等人拿来做实验的"薛定谔猫"不是单个粒子，而是在接近绝对零度的超导体环形电路中由几十亿对电子构成的超导流。实验证明，这种由大量粒子构成的宏观量子系统也可以处于叠加态--相当于薛定谔猫的"死-活叠加态"。几十亿对电子构成的超导流当然还不能与几亿亿亿个原子构成的猫相比，但较之单个原子分子毕竟前进了一大步。所以有人惊呼:"薛定谔猫变胖了!"下一步是否拿一只真的猫来做实验呢?不可能!首先是无法将之与周围环境隔离--置于真空中的猫马上会死掉。其次，与接近绝对零度的超导流不同，常温下的猫根本不是宏观量子系统，何来叠加态?而且也没有必要做这样的实验，物理学家根据现有的实验结果，对薛定谔猫为什么不可能有"死-活叠加态"已能作出符合量子力学的解释。2005年12月，美国国家标准和技术研究所的莱布弗里特等人在《自然》杂志上称，他们已实现拥有粒子较多而且持续时间最长的"薛定谔猫"态。实验中，研究人员将铍离子每隔若干微米"固定"在电磁场阱中，然后用激光使铍离子冷却到接近绝对零度，并分三步操纵这些离子的运动。为了让尽可能多的粒子在尽可能长的时间里实现"薛定谔猫"态，研究人员一方面提高激光的冷却效率，另一方面使电磁场阱尽可能多地吸收离子振动发出的热量。最终，他们使6个铍离子在50微秒内同时顺时针自旋和逆时针自旋，实现了两种相反量子态的等量叠加纠缠，也就是"薛定谔猫"态。奥地利因斯布鲁克大学的研究人员也在同期《自然》杂志上报告说，他们在8个离子的系统中实现了"薛定谔猫"态，但维持时间稍短。科学家称，"薛定谔猫"态不仅具有理论研究意义，也有实际应用的潜力。比如，多粒子的"薛定谔猫"态系统可以作为未来高容错量子计算机的核心部件，也可以用来制造极其灵敏的传感器以及原子钟、干涉仪等精密测量设备。麻省大学波城分校的K.Jacobs所领导的小组设计了一个可能实现这个理论的实验。2012年，加州大学伯克利分校的R.Vijay所领导的小组完成名为《量子位的量子反馈控制》的弱观测实验(论文PDF)，其结果被发表在了2012年10月的《自然》上。观测的对象是一个超导回路，由于超导体的特殊性质，这个回路能储存一个量子位(qubit)的信息。--经典的比特位只能是0或者1，而量子位可以是0和1的叠加态。接着，这个回路进入了│0>态和在│1>态之间的高频振动状态，使得系统会经历所有的叠加态。然后，我们开始测量这个振动的频率，而不是去观测这个振动在某一时刻处于│0>或者处于│1>，或者是两者之间的某个状态。

[4] 如果我们不揭开密室的盖子，根据我们在日常生活中的经验，可以认定，此猫或者死，或者活，这是它的两种本征态。但是，根据量子力学，我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫，则只能说，它处于一种活与不活的叠加态，我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切地知道此猫是死是活，此时，猫的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。这与我们的日常经验严重相违，揭开盖子前，要么死，要么活，怎么可能不死不活，又死又活?薛定谔挖苦说:按照量子力学的解释，箱中之猫处于"死-活叠加态"--既死了又活着!要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。(请注意!不是发现而是决定，仅仅看一眼就足以致命!)正像哈姆雷特王子所说:"To be or not to be --that is the question..."(Hamlet 3.1) 只有当你打开盒子的时候，叠加态突然结束(在数学术语就是"坍缩(recollapse)"，哈姆雷特王子的犹豫才终于结束，我们知道了猫的确定态:死，或者活。哥本哈根的几率诠释的一个优点就是:一次观测只会出现一个结果。这虽然与我们的日常经验相符合，但是有一个大的问题:它要求波函数突然坍缩。但物理学中没有一个公式能够描述这种坍缩。尽管如此，长期以来物理学家们出于实用主义的考虑，还是接受了哥本哈根的诠释。付出的代价是:违反了薛定谔方程。

哥本哈根诠释:

哥本哈根诠释是建立在由德国数学家、物理学家Max Born所提出的"波函数的概率表达"上，之后发展为著名的不确定原理，即震动中的微粒子--量子的类弦的决定论诠释。把电子波与发现概率联系起来，并主张"波包塌缩"的一种对物质--波的量子论解释，已经成为量子论的标准诠释。其在很长的一段时间成了"正统的"、"标准的"诠释。但那只不死不活的猫却总是像恶梦一样让物理学家们不得安宁。格利宾在《寻找薛定谔的猫》中想告诉我们的是，哥本哈根诠释在哪儿失败，以及用什么诠释可以替代它。

多世界诠释:

格利宾在书中写道:"埃弗雷特……指出两只猫都是真实的。有一只活猫，有一只死猫，但它们位于不同的世界中。问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变，而在于它既衰变又不衰变。当我们向盒子里看时，整个世界分裂成它自己的两个版本。这两个版本在其余的各个方面都是全同的。唯一的区别在于其中一个版本中，原子衰变了，猫死了;而在另一个版本中，原子没有衰变，猫还活着。"1957年，埃弗雷特提出的"多世界诠释"似乎为人们带来了福音，虽然由于它太离奇开始没有人认真对待。格利宾认为，多世界诠释有许多优点，由此它可以代替哥本哈根诠释。也就是说，上面说的"原子衰变了，猫死了;原子没有衰变，猫还活着"，这两个世界将完全相互独立地演变下去，就像两个平行的世界一样。格利宾显然十分赞赏这一诠释，所以他接着说:"这听起来就像科幻小说，然而……它是基于无懈可击的数学方程，基于量子力学朴实的、自洽的、符合逻辑的结果。""在量子的多世界中，我们通过参与而选择出自己的道路。在我们生活的这个世界上，没有隐变量，上帝不会掷骰子，一切都是真实的。"按格利宾所说，爱因斯坦如果还活着，他也许会同意并大大地赞扬这一个"没有隐变量，上帝不会掷骰子"的理论。

其他诠释

相关诠释没有对人类实验者、猫或仪器，或者生命系统与非生命系统之间做本质之上的区分;都是遵循相同的波函数演化定律的量子系统，都可以被认为是"观察者"。但相关诠释允许不同的观察者可以对相同的系列事件给出不同的描述，这些描述取决于它们所拥有的关于这个系统的信息。猫可以被认为是仪器的一个观察者;同时，实验者可以被认为是盒内系统(猫加仪器)的另一个观察者。在盒子被打开之前，猫，因其天然地有生或死，拥有了对仪器状态(原子是否衰变)的信息;但实验者并没有关于盒内之物的信息。这样，两个观察者同时对当前的情形有了不同的描述:对猫来说，仪器的波函数表现为"坍缩";对实验者来说，盒内之物表现为叠加态。直到盒子被打开，两个观察者拥有了对于发生了什么的相同的信息，两个系统状态才表现为"坍缩"成同样确切的结果，一只猫是活的或是死的。

客观坍缩理论

根据客观坍缩理论，叠加态在某些客观的物理阈值(时间、质量、温度、不可逆性等)达到的时候会自发地被破坏。因此，猫会在盒子被打开以前早就处在一个确切的状态。这可以被不严谨地说成"猫观察它自己"或"环境观察猫"。

薛定谔方程

埃尔温·薛定谔创立了被称为量子力学分支中的一个方程。后来被称之为薛定谔方程: 量子理论是20世纪科学的重大进展之一，但由于量子力学对传统观念所带来的巨大冲击，连"量子"的提出者在内的科学家都想尽各种办法拒绝它，或做出各种调和性的解释。事实上，薛定谔被量子力学的结果弄得心神不安，他不喜欢波粒二象性的二元解释以及波的统计解释，试图建立一个只用波来解释的理论。

争议

量子力学告诉我们:除非进行观测，否则一切都是不真实的。爱因斯坦和少数非主流派物理学家拒绝接受由薛定谔及其同事创立的理论结果。爱因斯坦认为，量子力学只不过是对原子及亚原子粒子行为的一个合理的描述，是一种唯象理论，它本身不是终极真理。他说过一句名言:"上帝不会掷骰子。"他不承认薛定谔的猫的非本征态之说，认为一定有一个内在的机制组成了事物的真实本性。他花了数年时间企图设计一个实验来检验这种内在真实性是否在起作用，但他没有完成这个计划就去世了。^[2]

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