相信喜歡科幻電影的朋友們，都曾聽(tīng)說(shuō)過(guò)“薛定諤的貓”這個(gè)詞。

這只神秘的貓?jiān)陔娪爸猩癯龉頉](méi)，游走于生死與真假之間，既真又假，既生又死，無(wú)人知曉其確切狀態(tài)，精準(zhǔn)戳中了量子力學(xué)最核心的神秘特性——疊加態(tài)。

（薛定諤的貓想象圖）

那么，這只真正能夠體現(xiàn)“遇事不決，量子力學(xué)”此梗真諦的貓咪，究竟是什么意思？

它又是如何突破現(xiàn)實(shí)的界限，將我們所見(jiàn)的一切轉(zhuǎn)化為投擲骰子的概率事件？這背后，其實(shí)只是一個(gè)對(duì)于量子微觀宇宙的比喻，但這個(gè)比喻卻通俗易懂解釋了量子力學(xué)從理論爭(zhēng)議到改變世界的完整脈絡(luò)。

（薛定諤的貓想象圖）

貓的誕生：源于物理學(xué)家的“隔空論戰(zhàn)”

關(guān)于薛定諤的貓，還要從物理學(xué)史上一場(chǎng)著名的“學(xué)術(shù)互懟”說(shuō)起。

上世紀(jì)二三十年代，以玻爾、海森堡為代表的哥本哈根學(xué)派提出了著名的觀測(cè)者效應(yīng)：微觀粒子在未被觀測(cè)前，會(huì)同時(shí)存在于所有可能的狀態(tài)中（即疊加態(tài)），而觀測(cè)行為本身會(huì)迫使粒子“選擇”一種確定狀態(tài)，這一過(guò)程被稱為“波函數(shù)坍縮”。

（關(guān)于觀測(cè)者效應(yīng)的想象圖）

可沒(méi)想到，這種觀點(diǎn)卻引起了薛定諤的不滿。

薛定諤為了反駁這種“違背常識(shí)”的理論，設(shè)計(jì)了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：將一只貓關(guān)在裝有少量放射性物質(zhì)和毒氣裝置的密封容器里。

放射性物質(zhì)有50%的概率在一小時(shí)內(nèi)發(fā)生衰變，一旦衰變就會(huì)觸發(fā)機(jī)關(guān)釋放毒氣，毒死貓咪；若未衰變，貓咪則安然無(wú)恙。

（薛定諤開(kāi)始毒舌吐槽）

按照哥本哈根學(xué)派的理論，放射性物質(zhì)可以同時(shí)處于衰變和未衰變兩種狀態(tài)，那么這只貓也就隨之處于既死又活的疊加態(tài)，也就是所謂的，有的時(shí)候貓死了，但它還活著，有的時(shí)候貓活著，但它已經(jīng)死了。

不得不說(shuō)，這個(gè)設(shè)想顯得過(guò)于荒謬,薛定諤正是想要以此對(duì)哥本哈根學(xué)派發(fā)起毒舌攻擊。

（哥本哈根學(xué)派代表玻爾）

但事情的發(fā)展完全超出了薛定諤的預(yù)料,后續(xù)的實(shí)驗(yàn)不斷證明，微觀世界的規(guī)則確實(shí)與宏觀世界截然不同——電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)就清晰顯示，電子在未被觀測(cè)時(shí)會(huì)同時(shí)穿過(guò)兩條縫隙（呈現(xiàn)波的特性），而一旦安裝觀測(cè)裝置，電子就會(huì)“乖乖”選擇一條縫隙通過(guò)（呈現(xiàn)粒子特性）。

這意味著，觀測(cè)者并非被動(dòng)接收信息，而是主動(dòng)參與了量子系統(tǒng)的演化。

（量子層面的東西很難把握）

就像你買彩票時(shí)，在開(kāi)獎(jiǎng)前處于“中了暴富”和“沒(méi)中獎(jiǎng)只能繼續(xù)上班”的疊加心態(tài)，而開(kāi)獎(jiǎng)這個(gè)“觀測(cè)行為”，會(huì)讓你瞬間進(jìn)入一種確定狀態(tài)。

當(dāng)然，這個(gè)確定狀態(tài)，往往你不會(huì)喜歡。

（買彩票中不中獎(jiǎng)就是一種疊加）

貓的生死謎題：量子世界的“概率游戲”

當(dāng)然，看到這里，很多人會(huì)疑惑，難道不看這只貓，它就真的又死又活嗎？

這里需要明確一個(gè)關(guān)鍵前提，薛定諤的貓并非描述宏觀世界的真實(shí)場(chǎng)景，其實(shí)只是一個(gè)比喻。

因?yàn)樵诤暧^世界中，由于存在大量粒子的相互作用（即“環(huán)境退相干”），疊加態(tài)會(huì)迅速消失，貓咪的生死必然是確定的；但在微觀世界，疊加態(tài)是粒子的基本屬性。

（量子力學(xué)）

舉個(gè)通俗的例子：就像你和別人打賭拋硬幣，正面朝上還是反面朝上一樣，硬幣出手的那一刻，無(wú)法確切知道最終結(jié)果。

而電子就像一枚“量子硬幣”，在未觀測(cè)時(shí)，它同時(shí)是“正面 + 反面”的疊加態(tài)，只有在被觀察時(shí)，它才會(huì)立即坍縮為“正面”或“反面”中的一種。

聽(tīng)起來(lái)很玄學(xué)是吧，但其實(shí)現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)、量子通信早就證明了玄學(xué)的背后就是科學(xué)。

要知道，量子計(jì)算機(jī)之所以能實(shí)現(xiàn)超高算力，正是利用了量子比特可以同時(shí)處于“0 + 1”疊加態(tài)的特性，一次運(yùn)算就能處理多種可能。

（量子計(jì)算機(jī)）

回到那只貓的生死問(wèn)題上，答案其實(shí)很明確：在量子力學(xué)的框架下，“貓的生死”在觀測(cè)前只是一個(gè)概率問(wèn)題:

就像拋硬幣時(shí)，硬幣在空中未落地前，我們無(wú)法確定正反面，但這并不意味著硬幣同時(shí)是“正 + 反”的狀態(tài)——概率的不確定性，不等于狀態(tài)的疊加性。

但只要被觀察，問(wèn)題總會(huì)水落石出。

（薛定諤的貓）

從理論到現(xiàn)實(shí)：這只貓如何改變世界？

當(dāng)然，這種觀察不僅是一種設(shè)想，甚至在我們當(dāng)代社會(huì)當(dāng)中，已經(jīng)成為了一種現(xiàn)實(shí)。

就比如前文提到的量子計(jì)算機(jī)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比特非0即1，而量子比特的疊加態(tài)讓它能同時(shí)處理海量數(shù)據(jù)。

谷歌的“懸鈴木”量子計(jì)算機(jī)，曾用200秒完成了傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)需要10000年才能完成的計(jì)算任務(wù)。它的核心原理，正是薛定諤的貓所揭示的疊加態(tài)邏輯。

（“懸鈴木”量子計(jì)算機(jī)）

還有量子通信：利用量子疊加態(tài)和糾纏態(tài)的特性，實(shí)現(xiàn)“一次一密”的絕對(duì)安全通信。

中國(guó)的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，就是通過(guò)量子糾纏原理，讓地面接收站之間的通信無(wú)法被破譯——這正是“觀測(cè)會(huì)改變量子狀態(tài)”的實(shí)際應(yīng)用，任何竊聽(tīng)行為都會(huì)留下痕跡。

甚至還能用于治病救人，醫(yī)院里常用的核磁共振成像（MRI），本質(zhì)上是利用氫原子核的量子自旋特性。通過(guò)施加磁場(chǎng)讓原子核處于特定疊加態(tài)，再通過(guò)觀測(cè)其坍縮過(guò)程形成圖像，幫助醫(yī)生精準(zhǔn)定位病灶。

（量子衛(wèi)星想象圖）

超越科學(xué)：一只貓引發(fā)的哲學(xué)思考

而且，這些實(shí)際應(yīng)用還不是最有趣的，最有趣的是，量子科學(xué)所引發(fā)的哲學(xué)思考。

1940年，物理學(xué)家惠勒提出“宇宙只有一個(gè)電子”的奇思妙想：微觀世界不存在絕對(duì)的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)，一個(gè)電子可以通過(guò)正向與反向的時(shí)間旅行，在不同時(shí)空點(diǎn)不斷出現(xiàn)，最終在宏觀上呈現(xiàn)出無(wú)數(shù)電子的假象。

（宇宙會(huì)只有一個(gè)電子嗎）

而人類的觀測(cè)行為會(huì)影響電子的狀態(tài)，進(jìn)而塑造我們所看到的世界。

這種“觀測(cè)創(chuàng)造現(xiàn)實(shí)”的觀點(diǎn)，啟發(fā)了“人擇原理”，“人類中心主義”等哲學(xué)概念。

更有人大膽猜測(cè)，我們所感知的每一刻現(xiàn)實(shí)，都可能是更高維度生物設(shè)計(jì)好的程序，而“薛定諤的貓”不過(guò)是這個(gè)宏大游戲中的一個(gè)微小注腳，當(dāng)觀測(cè)發(fā)生時(shí)，程序便按照預(yù)設(shè)的規(guī)則運(yùn)行，將不確定的疊加態(tài)轉(zhuǎn)化為確定的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)。

（一切都來(lái)源于觀測(cè)者效應(yīng)）

概率背后，是科學(xué)的無(wú)限可能

回到最初的問(wèn)題：薛定諤的貓到底是生是死？答案或許并不重要。

因?yàn)�，如今�?dāng)我們用手機(jī)掃碼支付（依賴量子加密技術(shù)）、用MRI檢查身體（依賴量子自旋原理）時(shí)，其實(shí)都在與這只“量子貓”打交道。

它不再是物理學(xué)家論戰(zhàn)的工具，而是成為了推動(dòng)世界前進(jìn)的“隱形引擎”。這也正是科學(xué)的魅力：一場(chǎng)看似“抬杠”的思想實(shí)驗(yàn)，最終可能成為改變未來(lái)的起點(diǎn)。

參考資料

1、中科院《時(shí)間循環(huán)、意識(shí)傳輸、平行宇宙……這些科幻作品中的設(shè)定真的存在嗎？》 2、新華網(wǎng)《“薛定諤的貓”:從荒誕思想實(shí)驗(yàn)到量子計(jì)算基準(zhǔn)》