薛定谔的猫（薛定谔的猫通俗解释）原创2021-06-08 10:03·李论科学1935年的5月，当爱因斯坦发表了EPR论文以后，薛定谔那可是高兴坏了，大哥又开始攻击量子力学，自己也要紧随其后，在11月份发表了一篇文章《量子力学的现状》。 什么，什么的现状，这种讽刺又略带忧虑的措辞，足以看出薛定谔多么讨厌哥本哈根诠释。你波恩说波函数代表了概率，又引出了什么态叠加，波函数坍缩等等这些无法理解的概念。 现在我就把这些概念引入宏观世界，你看看多么的不可理喻，看你怎么解释。因此在文章中，薛定谔就描述了一只不死不活的猫。 如果说爱因斯坦的EPR悖论在当时揪住了哥本哈根的小辫子，那么薛定谔的猫则直接戳中的哥本哈根的脊梁骨。 因为直到现在，薛定谔的这只量子恶魔依旧无解。 薛定谔说：如果按照哥本哈根的诠释，世界的本质是概率解释，在没有观察之前，一个体系会处在可能状态的叠加态当中，只有我们观察以后，这些体系的波函数才会坍缩到确定的本征态当中； 那好，我现在拿一个放射性原子，这个原子什么时候衰变满足概率解释，它在任何时间都可能衰变，释放出一个中子，但是当我们没有观察这个原子的时候，它有没有衰变，我们不知道，只能说这个原子处在衰变和没有衰变的叠加态当中。 现在我把这个原子放在一个箱子里面，在箱子里面还有一个盖革计数器，盖革计数器可以检测原子是否衰变，这个盖革计数器又连接一个机械连杆装置，机械连杆可以控制一个锤子落下，在锤子的下面放一个毒气瓶，最后我再给箱子里扔一只猫，箱门一盖，完活！ 当我盖上箱门的那一刻，毁三观的事情就出现了。原子衰没衰变，不知道，只能说它处在衰变与未衰变的叠加态，那么盖革计数器就处在检测到与未检测到的叠加态，机械连杆就处在动作与没动作的叠加态，锤子就处在落下与未落下的叠加态，毒气瓶就处在打碎与未打碎的叠加态，那么一个真实的活体生物猫，就处在死了与活着的叠加态。 以前我们认为原子现象处在不确定的叠加态当中，这我们还能勉强地接受，毕竟小到原子级别的事物我们根本看不见，感觉离我们很遥远，也不会影响到我们的生活。 但是薛定谔就是将这种叠加态引入了现实世界，而且用在了一只猫的身上，我们肯定会认为，猫要么死，要么活，不可能处在既死又活的叠加态当中。 还有，之前我们说，万物都具有波粒二象性的性质，也就是物质波，我们知道一个宏观物体的物质波非常的小，因为它的质量很大，波动性可以忽略不计，所以现实世界才表现出了确定性的本质，没有明显的概率问题，也没有测不准关系。 就拿月亮来说，它的物质波就非常小，具体可以通过λ=h/p算出来，可以认为这是一个无穷小量，所以我们认为在我们没有观察月亮的时候，月球就处在一个确定的位置。 但是，如果我们较真的话，也可以认为月亮的位置满足概率解释，在我们没有观察它的时候，它的位置就满足它自身波函数Ψ的描述，处在不确定的位置，这我们都可以接受，毕竟月亮的波动性很小，不会影响到我们看月亮。 但是猫是一个生物啊，它的死和活，是一个界限分明的事情，死就是死，活就是活，无论如何，我们都不可能接受既死又活的猫。 比如说，猫会说话，当我们打开箱子的瞬间，猫的波函数坍缩，我们一看，猫还有幸活着，猫会说自己刚才处在既死又活的状态吗？猫会说，自己刚才化作了一缕几率波吗？当你打开箱子观察的时候，我又瞬间从一个虚无缥缈的几率波，坍缩到了活着的本征态？ 那有人就会说，你假设猫会说话，可猫本身不会说话，它无法描述自己刚才经历了什么。所以你的假设有问题，或许它真的就处在了半死不活的叠加态当中呢。 好，我们再说一个极端的例子，把猫换成人，做实验！会怎么样？ 人总会说话吧，人总能描述箱门关了以后，自己经历了什么？如果你打开箱子，看到里面的人是活的，他能描述自己刚才变成了一缕几率波吗？ 很显然不会，人会一直认为自己是活着的。 这样说没有问题吧，这个实验是不能做，如果真的能做，结果肯定是这样。除非人死了，他啥也说不了。 那么哥本哈根对这个实验怎样解释？ 按照哥本哈根一贯的口吻，他肯定会认为，在没有观察之前，外面的人不知道箱子里的状态，对外面的人来说，箱子里的一切都处在叠加态当中，猫一样，人也一样。 所以说，哥本哈根的解释就是这样霸道，不讲道理，你接受不接受，都是这样。这很明显存在悖论。所以根据薛定谔的猫，就衍生出了很多非哥本哈根解释。其中最可怕的是，人们将意识引入了科学当中。 也就是，我们常说的意识难题，或者称为观测者难题。 你看，虽然我们不能确定猫到底经历了什么，但是我们可以确定人在这个过程中经历了什么，他不会处在叠加态当中！ 因为人从箱子里出来以后，可以确定地告诉你，他刚才就是活着的。 我们再把这个实验升级，让人戴着防毒面具和猫待在箱子里面，在箱子外面的人同样会认为，箱子里面的一切在没有观察的时候处在叠加态当中，但是当戴着防毒面具的人从箱子里走出来的时候，他就会准确的告诉你猫经历了什么，他活着的状态，以及死了的状态，什么时候死的，等等这些确定的状态，没有所谓的叠加态。 这说明了什么？只要有人在，箱子里的一切都是确定的，在哥本哈根的解释里，没有对观察者进行定义，也就是说，人和猫没有本质的区别，甚至和测量仪器没有本质的区别。 但是实验走到这里，难免让我们觉得人和猫，以及测量仪器有区别，只要有人在，就没有了叠加态 ，也就是说，只要有人在，波函数就会坍缩。 那么我们就要问，人和猫，和测量仪器之间有何区别？ 相信你已经猜到了，意识！人有意识，其他的任何测量者都没有。这就无形中把意识这个难题，引入了科学，这是一个非常可怕的事情，因为意识无法用数学进行定量的描述。 所以说，现在就有一种说法，是意识导致了波函数坍缩，其他观测者不能，猫不能，测量仪器不能，所以猫就处在叠加态当中，但人就不会，就算是盖革计数器从一开始就测量了原子的衰变，但是盖革计数器并不会使整个体系的波函数坍缩，反而使他也进入了叠加态当中，背后的原因是，它们都没有意识，只要有人在某个环节参与进去，整个体系的波函数就会坍缩到一个确定的本征态当中。 物理学发展到这里，越发的神奇和不可理喻了，好像有了一种形而上学的感觉。这就是根本哈根解释，在薛定谔的猫这里遇见的，意识难题，或者说无法定义观测者的难题。 这里需要强调一点，意识这个魔鬼，是从这里乘虚而入的。并不是所谓的双缝干涉实验，延迟选择实验，在这些实验中，哥本哈根诠释解释得很好，没有遇到任何难题。 我说一下我个人的一点点观点，能认为哥本哈根的解释完备吗？我的拙见是不能。因为当意识这个怪兽走进来的时候，就说明哥本哈根诠释还不那么完美。 而且前面我们在说到，波函数坍缩问题的时候，也遇到了无穷大的问题，所以我不认为量子力学对物理现实的解释是完备的。 我们接着说，除了意识恶魔以外，对薛定谔的猫还有一些其他解释。比如我们常听说的平行世界解释。 这个解释就是看到了意识问题，以及波函数坍缩的问题，所以就刻意地回避了这两个问题。说，波函数并没有坍缩，也不会坍缩，在我们打开箱子的一瞬间，波函数中所有可能的本征态就会分裂成多条现实共同存在。 也就是说，产生了平行宇宙，在一个宇宙中猫死了，在另外一个宇宙中猫活着，这两个宇宙除了猫死与活之外，一切都是一样的。 这就是平行宇宙的由来，我们可以当作科幻来看待这个解释，如果真是这样的话，我们对微观世界观测一次，就会分列出大量的宇宙，那么现在的平行宇宙已经无限多了，你看又出现了一个无穷的问题，在物理学中最讨厌的就是无穷。 科幻作家都不敢这样想，有点太把人当回事了，一看就分裂宇宙。不可思议。 最后还有一个解释，叫量子退相干历史，退相干也可以理解为，切断联系，不再相干，不再干涉，不再纠缠！ 也就是说，当我们在处理微观世界的量子客体的时候，对它们所经历历史的描述都非常的精确，由于精确的历史之间会产生相干性，也就是互相干扰，互相干涉，这就导致了微观世界的不确定性。 比如，电子通过左缝还是右缝，这就是电子两个非常精细的历史，所以通过左缝还是右缝这两件事就会纠缠在一起，互相干涉，导致电子处在既通过左缝又通过右缝的叠加态当中。 这里我觉得这个写个公式可以帮助大家理解下，比如，电子在通过双缝的时候，他的波函数是这样的，︱Ψ︱²=（C₁Ψ₁+C₂Ψ₂）² 展开以后就是：︱C₁Ψ₁︱²+︱C₂Ψ₂︱²+C₁*C₂Ψ₁*Ψ₂+C₁C₂*Ψ₁Ψ₂* 后面的这一堆东西（C₁*C₂Ψ₁*Ψ₂+C₁C₂*Ψ₁Ψ₂*）我们把它统称为干涉项，正因为干涉项的存在导致了电子通过左缝和通过右缝这两个历史事件，产生了纠缠。所以导致了量子世界的叠加态，这也是量子力学区别是经典世界的关键所在。 如果当后面这个干涉项变成了0，那么量子世界就没有了所谓的叠加态，电子通过左峰和右缝这两个历史就不再相干，不再纠缠，它们的概率之比就会简单地变为C₁²/C₂²，这是经典的概率，非此即彼，不是通过左缝就是右缝，没有同时通过左缝和右缝的叠加态。 这是单个电子通过双缝的情况，但是如果是一大堆粒子通过双缝呢？比如一个子弹，我们知道子弹也是由大量的原子构成的，那么子弹射向双缝的时候，他就是经典的概率啊，不是左就是右，所以我们在处理大量量子客体的时候，它的不确定性和叠加态就消失了。这是为什么？ 因为当我们处理大量量子客体的时候，如果我们能写出每一个量子客体的波函数，使它们叠加在一起，它们整体的波函数后面的干涉项就会互相抵消变为0，也就是说，子弹的波函数后面的干涉项变成了0，所以它就表现出了经典的概率，不是左就是右。 用退相干理论的话说就是，当我们描述大量量子客体的时候，我们不是在描述每一个量子客体的精确历史，而是对它们总体的历史行为进行粗略的描述，这样的话，大量量子客体的历史就会退相干，也就是没有了干涉项，不再纠缠在一起，使得大量粒子集合的量子态会跃迁到经典态。 那么薛定谔的猫呢？猫是由大量原子构成的，所以猫的波函数也会自发地跃迁到经典态，不仅仅是猫，当盖革计数器测量到原子衰变的时候，整个系统都已经跃迁到经典态了，没有没所谓的叠加态。 也就不存在既死不活的猫了！退相干历史的解释，彻底地避免了意识难题，定义观测者的难题。也不再需要什么平行宇宙，这可以说是目前为止，对于薛定谔的猫最好的解释了。 看到这，我们的量子史话就要接近尾声了。下节课，我们在说一下，在量子力学中真正让应该值得我们思考的问题。