珍曉推科普「第41期」薛丁格的什麼貓？

有那麼一隻貓，它屬於薛丁格，屬於愛因斯坦，屬於物理學史，屬於每一個對量子理論懷有好奇幻想的人。

它犀利敏捷，直指核心，曾經是物理學界初窺量子世界的一把鑰匙；它簡單易懂，也不擺架子，各行各業的人們都其樂融融地為之辨析爭論，而今已是人們認識量子理論的一個坐標。

本文將從這隻貓的由來出發，以這隻貓帶來的種種困惑收尾，與讀者到量子領域一遊。

薛丁格的貓，原本是薛丁格和愛因斯坦兩位量子力學的先驅者，為反對（當前主流的）量子力學哥本哈根詮釋而聯手鑄就的一把思想武器。為了介紹這把武器，要先從量子力學的建立，尤其是物質波說起。

那年，愛因斯坦和普朗克等人論證了光具有波粒二象性。德布羅意受此啟發進一步提出：組成物質的基本粒子同樣具有波粒二象性；換言之，可以把物質粒子看成某種波。

從這裡開始，薛丁格的貓就已經在隱隱孕育了。

物質粒子怎麼可能是波？這在當時看來簡直玄之又玄，因而學界的反應極為冷淡。直到愛因斯坦注意到德布羅意的工作，敏銳地察覺物質波的價值，人們才開始認真面對這一概念。而薛丁格（和狄拉克分別獨立地）寫出與實驗結果吻合的波動方程，才終於一錘定音地迫使學術界接受這個「毀三觀設定」：物質粒子確實有波動性。

可以說，為發展物質波這個量子理論核心概念，愛因斯坦和薛丁格有很大的功勞。

此後問題來了，那個曾被學術界拿來詰問德布羅意的問題，現在擺在了所有人面前——物質粒子怎麼可能是波，它是個什麼波？不回答這個帶有玄學意味的問題，量子理論無法前進。

多輪激烈的討論後，波恩給出一個非常違反直覺常識，卻最終被實驗驗證的答案：這是概率波，描述粒子被在某種狀態下被「找到」的概率——當考察粒子的位置時，它就是粒子在某個位置被找到的概率。從這個回答出發，波恩、波爾和海森堡等人發展出了對物質波的哥本哈根詮釋。

薛丁格和愛因斯坦對這個回答大為不滿，因為波可以疊加（不妨類比兩圈水波在空間疊加），而概率波的疊加意味著，粒子可以部分處於某種狀態，部分處於另一種狀態。在直覺上，兩種狀態總是互斥的，例如在某一時刻，粒子在這裡就不會在那裡，自旋向上就不會向下。但由于波的疊加，粒子可以時刻處於既此又彼的狀態。

為了反對這個匪夷所思的答案，薛丁格和愛因斯坦兩位大師通過多番討論，最終由薛丁格提出了一個簡單犀利的思想實驗——薛丁格的貓。

實驗大體是這樣的：在蓋好的盒子中，有放射性粒子、毒氣裝置和貓；一定時間後，放射性粒子概率性發生衰變，而毒氣裝置能探測到這次衰變並釋放毒氣將貓毒死；除非打開盒蓋，盒子內的情形無法被外界探測。

如果哥本哈根詮釋是正確的，那麼在打開盒蓋進行探測前，放射性粒子處於既衰變又未衰變的疊加狀態。由於粒子的衰變直接導致貓的死亡，那麼貓也就同時處於既死又活的狀態——不荒謬嗎？

這把思想武器用直指本質的方式，把量子微觀變成日常直觀，不僅讓哥本哈根學派吃下重擊，更讓全世界每個人都看到，原來概率波是這樣一個「怪物」。

薛丁格和愛因斯坦聯手放出重擊，在全世界形成討論的餘波持續至今，但勝利的卻是哥本哈根詮釋——實驗是唯一的裁判。接受了物質波這個概念的衝擊後，物理學界不得不接受一個更加深刻的觀點：物質粒子有波動性，因而可以是多種狀態（更嚴謹地說是本徵態）疊加並存的。在理解了態疊加原理後，物理學終於邁向了更遠的領域。

在這個過程中，薛丁格的貓從攻擊哥本哈根詮釋的武器，變成了物理學家和其他所有人認識量子世界的最簡潔的切入點。其既死又活的狀態也不再是謬論，反而體現了量子世界的本質特性。

從科普的角度說，薛丁格的貓通過展示自身的怪誕，向人們傳達了這樣的信息：量子概念很難與宏觀直覺對應起來，如果用視覺常識來理解量子概念，可能產生諸多誤解困惑。為了將這隻名貓說清楚，筆者選取了與這隻貓相關的五個常見爭論點，（基於學術界主流認識）略加辨析。

物質波的物理圖像是什麼？

從直覺理解物質粒子的波，可能產生這樣的誤解：是不是粒子彌散開，連續分布在整個空間，其分布的形狀像波浪一樣，這樣叫作物質波呢？其實在量子力學建立初期，人們就存在這樣的討論，但這個設想在理論上存在缺陷，也沒有得到實驗的證實。

當前主流觀點認為，物質波刻畫的永遠是一個完整的粒子，具有完整粒子的質量、電荷等屬性，不是彌散分布的，這是顆粒性；只不過其傳播方式不能用經典軌道來描述，反而體現出波的某些特徵，這是波動性。兩方面合起來就是物質波的「波粒二象性」。

為什麼是既死又活的貓？

很多人存在這樣的困惑：打開盒子前的瞬間，放射性粒子是否衰變，換言之貓的死活其實已經有了客觀結果，而打開盒子只是記錄下這個結果而已，所以是否應該說貓「或死或活」更準確呢？

這個認識非常符合直觀常識，但存在一個關鍵的問題，那就是如果放射性粒子是否衰變已經形成客觀結果，就不能用這個結果來刻畫物質波，因為這個結果只能數值相加，不再具有波的相干疊加性。

更簡單地說，上面的認識中只有「概率」，沒有「波」，自然是偏頗的。只有接受了「被探測前粒子處於各種可能的疊加」這個設定，才能超越「概率」，完整地理解「概率的波」。

如果讀者有興趣閱讀量子力學教材中關于波函數的論述，對這個問題會形成更清晰的認識。

量子力學唯心嗎？

如果只有打開盒子才能真正確定貓的死活，那麼貓的死活是人唯心決定的嗎？

對量子體系的觀測當然不是唯心的。最簡單的例子是電子雙縫幹涉實驗，不論人眼是否觀察，接收屏上都有幹涉條紋，因而量子觀測並不唯心。

回到這隻貓，如果用定時器將盒子自動打開，再用生命檢測儀器把結果顯示出來，那麼不論人是否觀看這個結果，貓都解除了「既死又活」的狀態，坍縮到死或活的確定結局。

貓是否可以被間接探測到？

上面說到生命探測儀，那麼是否可以用這類儀器觀測盒子的震動、紅外特性、二氧化碳排放等方式，隨時監測貓的死活呢？這樣一來貓的死活就是隨時確定的，不再是既死又活的怪貓。

上述探測在現實技術上可行，但在這個實驗中卻不被允許。請注意，在這個思想實驗中，「盒子」有著超然的地位。

「除非打開，否則盒子內部不可探測」這個條件，排除了上面對盒子的所有間接探測。正是這個苛刻的條件，保障其內部粒子可以被刻畫為概率波，進而讓貓的死與生具有疊加的特性。

該實驗揭示的物理本質是什麼？

通過上一個問題的答案，我們可以認識到這個思想實驗的核心並不是貓，而在於盒子；貓可以替換為任何生物或者狀態參數，而對盒子的規定不能更改。換言之，薛丁格貓的本體其實是盒子。

正因為間接探測盒子是完全可行的，才說明這個盒子並不屬於宏觀世界：人們永遠造不出一個「無法」被探測內部的盒子，它只能是思想虛構的產物。其被虛構出來就帶有宏觀世界所不具有東西，那是量子世界的本質特性：其內部保障了概率波的疊加。

換言之，薛丁格的貓本質上是以宏觀現實中並不存在的量子黑盒為媒介，將量子世界的基本狀態——波的疊加——在直觀上展示出來。

至此，我們追蹤這隻貓的足跡，一路看過量子力學史的若干節點，在世人對量子概念的幾個爭論點走走停停，僅浮光掠影地遊覽了量子世界；離去此貓，面對親友相問，讀者朋友或許只留一句：景區沒啥，無非波的疊加。

但那隻貓知道，量子理論的歷史遠遠沒有寫到終點。當人們對量子世界的下一個認識大突破來臨，這深邃黑盒中無形無狀的貓，又將如何與人對視呢？