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＃科学史 ＃量子力学 ＃物理学
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薛定谔猫的怪异悖论得到了持久的流行。这对量子物理学的未来意味着什么？
1935 年，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔 （Erwin Schrödinger） 发表了一篇相当关键的三部分评论，评论了他所说的相对较新的量子力学理论中的“现状”。在很大程度上，薛定谔的评论是用德语写的，是枯燥乏味的，而且是技术性的，不是那种会让量子物理学这个狭隘的学术世界之外的人感到困惑的东西。但在一小段话中，他把舌头牢牢地贴在脸颊上，飞向了一个幻想，90 年后，这个幻想继续在流行文化中引起共鸣。该段落涉及薛定谔的同名猫。一个关于数学上复杂且相当令人困惑的物理学理论的晦涩难懂的论点是如何作为对人类心理的非凡探索而嵌入公众意识的？这篇文章讲述了这个故事。
以下是薛定谔所写的（由 John D Trimmer 翻译的英文）：
One can even set up quite ridiculous cases. A cat is penned up in a steel chamber, along with the following diabolical device (which must be secured against direct interference from the cat): in a Geiger counter there is a tiny bit of radioactive substance, so small that perhaps in the course of one hour one of the [radioactive] atoms decays, but also, with equal probability, perhaps none; if it happens, the counter tube discharges and through a relay releases a hammer which shatters a small flask of hydrocyanic acid. If one has left this entire system to itself for an hour, one would say that the cat still lives if meanwhile no atom has decayed. The first atomic decay would have poisoned it. The [quantum wavefunction] of the entire system would express this by having in it the living and dead cat (pardon the expression) mixed or smeared out in equal parts.
翻译过来就是：
人们甚至可以设置相当荒谬的案例。一只猫被关在一个钢室里，还有以下恶魔般的装置（必须防止猫的直接干扰）：在盖革计数器中，有一点放射性物质，小到可能在一小时内一个 [放射性] 原子衰变，而且，以同样的概率， 也许没有;如果发生这种情况，反管会放电，并通过继电器释放一个锤子，该锤子会打碎一小瓶氢氰酸。如果一个人把整个系统留给自己一个小时，那么如果在此期间没有原子衰变，那么这只猫还活着。第一次原子衰变会毒害它。整个系统的 [量子波函数] 将通过将活猫和死猫（请原谅这个表达）混合或涂抹成相等的部分来表达这一点。
虽然这只是一个“思想”实验，但薛定谔的猫的悖论注定要加入巴甫洛夫的狗的行列，成为科学界的怪异动物寓言。
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为了理解薛定谔的意思，我们需要做一些解读。薛定谔的“恶魔装置”的性质实际上对他的论点并不重要。它的目的只是放大一个原子尺度的事件——放射性原子的衰变——并将其提升到更熟悉的规模，即一只被困在钢箱里的活猫。描述在原子和亚原子粒子（如电子）尺度上发生的物体和事件的理论是量子力学。但在这个理论中，原子和亚原子粒子并不是被描述为在太空中移动的微小的、自给自足的物体。相反，它们被描述为量子波函数，量子波函数捕捉到了它们观察到的行为的一个非常奇怪的方面。在某些情况下，这些粒子也可能表现得像波。
这些截然不同的行为再明显不过了，或者说似乎是不相容的。粒子具有质量。就其本质而言，他们是“在这里”的：他们在空间中被定位，并在从这里移动到那里时保持被定位。将许多粒子扔到一个小空间里，就像弹珠一样，它们会碰撞，向不同的方向相互反弹。另一方面，波在空间中传播——它们是“非局部的”。将它们挤过一个狭窄的缝隙，就像海浪穿过港墙的缝隙一样，它们会向外扩散。物理学家称之为衍射。将一堆不同的波推到一起，它们会合并形成物理学家所说的叠加。所有不同波浪的波峰和波谷加在一起。当峰与峰相遇时，结果是更大的峰。在低谷与低谷相遇的地方，结果是更深的低谷。在高峰与低谷交汇处，它们都会减少，如果它们恰好具有相同的高度和深度，它们将完全相互抵消。物理学家称之为干涉。
到 1935 年，量子力学的数学公式相对成熟，并被大多数物理学家认为是完整的。但该理论并没有说明所有量子怪异应该在哪里停止。当应用于放射性原子时，量子理论说，一个小时后，原子的波函数表示为衰变和未衰变原子的相等混合物——叠加。
那么，这只猫是死是活呢？我们无法知道，直到我们掀开盒子的盖子，去看
那么，这只猫是死的还是活的呢？我们无从得知，除非我们掀开盒子的盖子，再看一看。如果我们坚持将量子理论延伸到猫身上，那么在我们掀开盖子的时候，波函数就会“坍缩”，然后我们发现猫是活的，还是死的。但是，这里有一个小问题，它会产生巨大的后果。在量子力学的数学公式中，你找不到描述这种崩溃的方程式。我们只能假设它发生了。
好吧，但我们至少能在揭开盖子之前预测猫的命运吗？量子理论说：不，我们不能。根据公认的解释，两种可能性的叠加反映了得到其中一种或另一种的相对概率。但是，只有当假设波函数已经崩溃时，当一种可能性和另一种可能性的叠加转化为一种或另一种现实时，这些概率才会转化为实际结果。看起来，看的行为真的杀死了猫，或者没有。
这是一件大事。这与抛出一枚 “公平 ”的硬币，并以相等的概率获得正面或反面不同。我们通常不会选择将硬币描述为硬币在空中旋转时处于正面和反面的叠加状态，尽管原则上没有什么可以阻止我们这样做。我们不这样做，因为我们当然知道，当我们把硬币抛向空中时，硬币的两面都保持不变，当它落到地上时，硬币的两面都会旋转。但这不是量子力学的运作方式。现在有许多量子实验表明，假设原子或电子等物体在被观察到之前就以某种状态存在，可以给出与量子理论和实验结果相冲突的预测。我们根本离不开叠加或概率。我们需要怪异。
一个尽管大多数物理学家似乎已经接受了量子力学提供了单个量子物体和事件的完整理论的论点，但也有一些明显的反对者。阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein） 对量子理论对因果定律的影响以及诉诸概率从来都不满意，他曾宣称上帝“不玩骰子”。1935 年早些时候，爱因斯坦和他在普林斯顿的同事鲍里斯·波多尔斯基 （Boris Podolsky） 和内森·罗森 （Nathan Rosen） 发表了一篇具有里程碑意义的论文，认为量子力学不能被视为一个完整的理论。缺少了一些深刻的东西。尽管他们在细节上存在分歧，但爱因斯坦和薛定谔有着共同的事业，他们在整个 1935 年夏天的通信激发了薛定谔发展他的猫悖论。
薛定谔明白，在任何情况下都不能认为他的猫既是活的又是死的。就他而言，他的悖论揭示了量子理论的明显荒谬性，不是通过暗示“量子理论说”由一只活猫和死猫组成的叠加是一种真实的可能性，而是通过暗示量子理论没有说的东西会导致逻辑上的荒谬。爱因斯坦回答说：“......你的猫表明我们完全同意。
事情就这样暂时搁置了。猫悖论仅限于一篇长篇评论文章中的一段，薛定谔的异议与大多数物理学家几乎没有什么关系，包括那些花时间思考量子理论含义的物理学家。它在爱因斯坦和薛定谔之间的通信中幸存到 1950 年代初，并于 1957 年在英国布里斯托尔举行的物理学家和哲学家会议上重新出现。
恶魔般的机制现在涉及电死猫（或不电死）
在会议论文集的一次讨论中，美国物理学家大卫·玻姆 （David Bohm） 复活了薛定谔的猫。到这个时候，这个悖论已经进化出来，它基于单个光子（光的“粒子”）穿过（或不通过）半银（或“单向”）镜子。与放射性原子一样，光子有 50/50 的机会穿过镜子或被镜子反射。光子的通过触发了一个恶魔般的机制，在这个机制中，猫被枪杀死。
1965 年，美国哲学家希拉里·普特南 （Hilary Putnam） 在一篇题为“哲学家看量子力学”的文章中再次出现这个悖论。光子和半镀银的镜子仍然存在，但恶魔般的机制现在涉及电死猫（或不电死）。普特南总结说：“今天没有令人满意的量子力学解释。
接下来发生的事情相当有趣。1972 年，美国科幻小说作家乌苏拉·勒金 （Ursula Le Guin） 在为她正在写的一本书研究爱因斯坦的狭义相对论时，发现了对薛定谔的猫的引用。正如哲学家罗伯特·克雷斯 （Robert Crease） 在 2024 年的一篇文章中所说，她立即“被隐含的不确定性所吸引，并欣赏薛定谔形象的奇妙本质”。我们无法确定确切的事件和时间，因为 Le Guin 阅读量非常广泛，但没有系统地做笔记，但这是朱莉·菲利普斯 （Julie Phillips） 的“最佳猜测”，她正忙于撰写 Le Guin 的授权传记，将于 2026 年 4 月出版。菲利普斯被她的拍摄对象要求“从秃鹰中解救出来”，在作者于 2018 年去世之前，菲利普斯对 Le Guin 进行了多次深入采访。他们同意这本传记将在他去世后出版。
在她的短篇小说《薛定谔的猫》（1974 年）中，Le Guin 展示了 Bohm 版本的悖论，涉及光子、半银镜子和枪。在无名叙述者和一只名叫 Rover 的狗之间的对话中，Le Guin 写道：
‘…我们无法预测光子的行为，因此，一旦它的行为，我们就无法预测它所确定的系统的状态。我们无法预测！上帝与世界玩骰子！因此，它完美地证明了，如果你渴望确定性，任何确定性，你都必须自己创造它！
“怎么做到的？”
“当然是掀开箱子的盖子，”Rover 说......
闸门打开了。从那时起，薛定谔的猫经常出现在小说中。不仅仅是科幻小说，还有广泛的短篇小说和小说、电影、戏剧、电视节目、诗歌和音乐。1980 年代初物理学的发展同时推动了人们对流行的非小说类作品的兴趣，例如约翰·格里宾 （John Gribbin） 的《寻找薛定谔的猫》（1984 年）。
猫的文化吸引力在于它引发的“如果”问题。它鼓励我们思考我们人类选择的后果。如果我们选择不看呢？如果我们不看，猫真的可以说存在吗？我们掀开盖子的决定很像遇到岔路口。我们选择一条路。就像美国诗人罗伯特·弗罗斯特 （Robert Frost） 一样，我们可能会选择人迹罕至的路。但是，如果我们走了另一条路呢？电影《滑动门》（Sliding Door，1998 年）讲述了两个平行的故事，一个是海伦·奎利（海伦·奎利，格温妮丝·帕特洛饰）错过了伦敦地铁的火车，另一个是她设法登上火车时展开的。奎利的生活截然不同，这取决于她是否敲开滑动门上了火车。这样一个微不足道的“滑门时刻”可能会深刻地改变我们的未来进程，这令人深感不安。
还有更多。正如 Le Guin 本人在她的短篇小说中所观察到的那样，掀开盖子的行为似乎没有什么特别之处，量子力学对怪异在事件链中停止的问题保持沉默。她写道：“但是，为什么打开盒子并查看会将系统减少到一个概率，要么是活猫，要么是死猫呢？当我们掀开盒子的盖子时，为什么不被纳入系统呢？我们是否会像猫一样，被困在一个我们称之为现实的更大盒子里？如果我们是，谁在寻找？当他们揭开盖子时会发生什么？
如果观察盒子内部的行为没有使系统的波函数崩溃，那么从逻辑上讲，观察者必须反过来被叠加所纠缠。“我们在这里，”Le Guin 写道，“看着一只活猫，然后......看着一只死猫。如果你是那个在看的人，那么现在就会有另一个叠加，涉及你的两个版本。
一个在这一点上，我们可能很想对量子力学进行完全不同的解释。如果数学没有解释波函数的坍缩，为什么还要假设它发生了呢？为什么不假设，正如 Le Guin 所建议的那样，当你掀开盖子时，你会与系统纠缠在一起呢？由于从来没有人体验过与多个版本的自己共存的怪异感觉，他们都目睹了不同的事件，我们可以进一步假设掀开盖子的行为将宇宙“分裂”成两个平行的版本。在一个宇宙中，一个版本的你观察到了一只死猫。在另一个宇宙中，另一个版本的你观察到了一只活猫。没有怪异的感觉，因为这些不同的宇宙已经分叉了，你完全没有意识到自己的其他平行版本。
这就是所谓的“多世界”解释，由美国物理学家休·埃弗雷特三世 （Hugh Everett III） 于 1957 年提出。它为我们提供了一个平行可能性的多元宇宙。多元宇宙允许更广泛、更复杂的“假设”范围，超越与滑动门时刻相关的二元生/死类型问题。如果你的选择的影响随着时间的推移而积累，不仅会改变你的未来环境，还会改变你的整个性格呢？
在一个充满可能性的多元宇宙中，是否存在多种截然不同的版本，你们的行为举止截然不同，过着不同的生活？也许在其中一个宇宙中，你是人性化的、善良的，但无家可归，沦落到街角乞讨。但在另一个宇宙中，你是一个没有同情心的科技亿万富翁，威胁要破坏公认的世界秩序。布莱克·克劳奇 （Blake Crouch） 的小说《暗物质》（Dark Matter，2016 年）对这些问题进行了深入探讨，效果很好，该小说被改编成电视，并于去年在 Apple TV+ 上播出。
流行文化中的薛定谔之猫满足了我们人类与生俱来的对神秘的渴望，并为大胆的想象力提供了许可，帮助我们探索是什么让我们成为“我们”。而且，值得注意的是，它声称以科学的名义做这些事情，因为这就是“量子理论所说的”。谁能想到物理学会如此有趣？
这并不意味着猫实际上是同时活着和死着的
唉，大多数物理学家都采取了更冷静的观点。在 1920 年代和 30 年代，量子力学的创始人对这些解释问题唠叨不解，并得出了许多人认为令人满意的解决方案，尽管有些人（如爱因斯坦和薛定谔）认为它们非常不令人满意。
叠加，更广泛地说，量子波函数实际上代表什么？一种观点与丹麦物理学家尼尔斯·玻尔 （Niels Bohr） 关系最密切，通常被称为“哥本哈根解释”，即这些只是计算工具，不能按字面意思理解。它们不是真实的：它们纯粹是象征性的。叠加只是代表了我们对 cat-in-a-box 系统的了解，我们使用量子力学方程来计算各种预期结果的概率。
所以，当我们谈论猫处于生与死的叠加状态时，这并不意味着猫实际上是同时活着和死着的。事实上，我们不知道猫的真实状态是什么，也不知道如何描述它的真实物理情况，因为我们无法确定放射性原子何时会衰变，或者光子是否会透射或反射。但是，如果我们把这个系统表示为一个叠加，我们就知道我们会做出与实验一致的预测。大多数物理学家，至少是那些可以费心思考这些事情的人，都采用这种观点。这可能就是他们不经常被邀请参加派对的原因。
由此可见，我们宣布怪异在事件链中的确切位置停止并不重要。我们在哪里放置以德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）命名的“海森堡切割”并不重要，此时我们停止使用量子力学并转向 300 多年前由艾萨克·牛顿 （Isaac Newton） 发表的更熟悉的物理学理论。这是我们假设波函数坍缩的点，我们用实际结果的 or 替换量子叠加的 and。
海森堡是玻尔小组的成员，尽管在他的一些声明中，他与玻尔的哲学大相径庭。就海森堡而言，我们选择在哪里切割并不重要。但猫不是放射性原子，也不是光子。它显然不属于量子领域，量子力学的方程式，即使是象征性的解释，也不应该适用于它。玻尔更喜欢将切口放在与恶魔装置的早期阶段相关的“不可逆的放大行为”的点上。我们无法具体说明在这个过程中怪异的确切位置或时间停止，这并不能证明这发生在我们到达猫之前很久的结论。
薛定谔在 1935 年的评论中以以下观察结束：
为此提供的简单程序......也许毕竟只是一个方便的计算技巧，但正如我们今天所看到的，它已经对我们对自然的基本态度产生了前所未有的影响。
我们面临着一个选择。我们可以认识到，量子力学——尽管它很奇怪——是一个纯粹的符号框架，用于预测我们实验的概率结果。这确实是一个计算技巧，不能从字面上理解，它使我们能够处理一个原本深不可测的原子和亚原子世界。
或者我们可以认识到（与爱因斯坦和薛定谔一起）量子理论至少是不完整的，而且非常不令人满意。一个能够理解原子和亚原子世界的理论应该是可能的，只要我们有寻找它的意愿和找到它的智慧。
这是岔路口。你会走哪条路？
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