浅谈薛定谔猫

浅谈薛定谔猫

0 引言

薛定谔猫是1935年由著名的物理学家埃尔温·薛定谔提出的一个假想实验，通过这个实验对量子力学的概念提出了质疑。经典世界中的薛定谔猫是由大量微观粒子组成，那么它为什么没有波粒二象性的特征呢？量子力学的理论是否完备？本文以这些问题为基础，简述了薛定谔猫的发展过程。以此对量子力学有简单的理解。

1、薛定谔猫的由来

“——谁敢跟我提起薛定谔那只该死的猫，我就去拿枪！”这是斯蒂芬·霍金对薛定谔猫的评价。

1.1波粒二象性

微观的粒子既有波动性又有粒子性，诸如电子，光子等微观粒子它们在同一个时刻既可以在这里也可以在那里，既是波又是粒子。它是波和粒子两象的矛盾统一。为了描述他们的状态，引入波函数

来进行描述，微观粒子的波动显现是它运

动的一种统计规律，因此称此波动为概率

波或概率波幅。概率波幅是量子力学的最

基本最重要的概念。量子力学的精妙就是

引入概率波幅（量子态）的概念，微观世

界的各种特性就源于此。量子力学完美的

解释了微观世界的规律，但是在我们所生

活的宏观世界我们似乎难以用量子力学的

原理来解释。因为我们看不到这种量子态。

用一个简单的对比来理解量子力学与宏观物理学的冲突：如果仅仅从量子力学原理再加上数学以及逻辑来看我们的地球时，能看到的是大量叠加的、同时发生的现象，这些现象是从远古的时代起就被许多小的量子事件累积而产生的。然而，我们现实中的地球随处可见的是一个个轮廓清晰而分明的物理实在。

1.2 薛定谔猫假想实验

能否将量子理论应用于宏观的世界？爱因斯坦为代表的一方认定量子力学不是完备的理论，“上帝是不会玩骰子的”;而以哥本哈根学派领袖波尔为代表的另一方认定量子理论是正确的。薛定谔也为此感到困惑，他质疑量子力学的哥本哈根学派的解释，于是他用一个假想的实验来检验理论隐含之处，1935年他发表了薛定谔猫佯缪的文章，薛定谔猫就此诞生。

所谓的薛定谔猫假想实验：把一只猫放进一个封闭的盒子里，然后把这个盒子连接到一个装置，其中包含一个原子核和毒气设施。设想这个原子核有50%的可能性发生衰变。衰变时发射出一个粒子，这个粒子将会触发毒气设施，从而杀死这只猫。我们发现整个事件的波函数竟然表达出了活猫与死猫各半纠合在一起的状态。

2、薛定谔猫的诠释

2.1 哥本哈根诠释

根据量子力学的原理，未进行观察时，这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态，因此，那只可怜的猫就应该相应地处于‘死’和‘活’的叠加态。非死非活，又死又活，状态不确定，直到有人打开盒子观测它。看猫一眼才决定其生死，只有当你打开盒子的时候，迭加态突然结束（在数学术语就是“坍缩”）实验中的猫，可类比于微观世界的电子。在量子理论中，电子可以不处于一个固定的状态（0或1），而是同时处于两种状态的叠加（0和1）。如果把叠加态的概念用于猫的话，那就是说，处于叠加态的猫是半死不活、又死又活的。

哥本哈根的几率诠释的优点是：只出现一个结果，这与我们观测到的结果相符合。但有一个大的问题：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。

2.2 多世界诠释

1957年，埃弗雷特提出的“多世界诠释”似乎为薛定谔猫找到一个合理的解释。

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。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。”

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

指出这是基于无懈可击的数学方程，量

子力学朴实的、自洽的、符合逻辑的结

果。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。

多世界诠释的优点是：薛定谔方程始终成立，波函数从不坍缩，由此它简化了基本理论。可这样的设想过于离奇，这些平行的世界全都是同样真实的。

2.3 退相干理论

了解退相干对薛定谔猫的解释我们先了解退相干历史。

退相干历史(DH)：我们把宇宙的历史分得足够精细，那么实际上每时每刻都有许许多多的精粒历史在“同时发生”(相干)。比如没有观测时，电子显然就同时经历着“通过左缝”和“通过右缝”两种历史。但我们只关心我们所关心的是观测到的电子通过左右之一的一条缝，即

粗粒历史的情况。因为互相脱散(退相干)的缘故，这些历史之间失去了联系，只有一种能够被我们感觉到。

按照历史颗粒的粗细，我们可以创建一棵“历史树”。以量子联赛来说，一个球队在联赛中的历史，最粗仅仅可以分两种：“得到联赛冠军”和“没有得到联赛冠军”。在这个极粗的层面上，我们只具体关心有否获得冠军，别的一概不理，它们都将在计算中被加遍。但是我们也可以继续“精确”下去，比如在“得到冠军”这个分支上，还可以继续按照胜率再区分成“夺冠并且胜率超过50%”和“夺冠但胜率不超过50%”两个分支。类似地我们可以一直分下去，具体到总共获胜了几场，具体到每场的胜负……一直具体到每场的详细比分为止。当然在现实中我们仍可以继续“精粒化”，具体到谁进了球，球场来了多少观众，其中多少人穿了红衣服，球场一共长了几根草之类。但在这里我们假设，一场球最详细的信息就是具体的比分，没有更加详细的了。这样一来，我们的历史树分到具体的比分就无法再继续分下去，这最底下的一层就是“树叶”，也称为“最精粒历史”。

对于两片树叶来讲，它们通常是互相相干的。我们无法明确地区分1:0获胜和2:0获胜这两种历史，因此也无法用传统的概率去计算它们。但我们可以通过适当的粗粒化来构建符合常识的那些历史，比如我们可以区分“胜”，“平”和“负”这三大类历史，因为它们之间已经失去了干涉，退相干了。如此一来，我们就可以用传统的经典概率来计算这些历史，这就形成了“一族”退相干历史

，只有在同一族里，我们

才能运用通常的理性逻辑来处

理它们之间的概率关系。

现在让我们考虑薛定谔猫

的情况：当那个决定命运的原子

衰变时，就这个原子本身来说，

它的确经历着衰变和不衰变两

种可能的精粒历史。原子本身只

是单个粒子，我们忽略的东西并

不多。但一旦猫被拖入这个剧情

之中，我们的历史剧本换成了猫

死和猫活两种，情况就不同了！

无论是“猫死”还是“猫活”

都是非常模糊的陈述，描述一只

猫具体要用到10^27个粒子，当我们说“猫活”的时候，我们忽略了这只猫与外界的一切作用，比如它如何呼吸，如何与外界进行物质和能量交换等等。就算是“猫死”,它身上的n个粒子也仍然要和外界发生相互作用。换句话说，“猫活”和“猫死”其实是两大类历史的总和，就像“胜”是“1:0”，“2:0”，“2:1”等历史的总和一样。当我们计算“猫死”和“猫活”之间的干涉时，我们其实穷尽了这两大类历史下的每一对精粒历史之间的干涉，而它们绝大多数都最终抵消掉了。“猫死”和“猫活”之间那千丝万缕的联系于是被切断，它们退相干，最终只有其中的一个真正发生。

薛定谔猫这样的物体，通过退相干可以损失其整体的相干性，变成一个没有相干性的经典系统，描述其运动的量子力学也会转化为经典系统。从这个意义上，量子力学可以把经典力学作为一种极限。

3、薛定谔猫的启发

薛定谔猫佯缪的解释有很多，不是每一个人都是同意某一种解释。从中引发的问题也很多，像长达了数十年的波尔—爱因斯坦之争，但正是这样的思想交锋。才能更加推动物理学乃至更多学科的研究。

在1996年，法国物理学家塞尔日·阿罗什在实验中让原子的“猫态”维持更长的时间，以此实现量子计算机的梦想，通过所谓的量子比特来解决超越普通计算机能力之外的巨大数据。但我们必须找到一种测量量子比特的方法。而当我们在思考这些问题的时候的“顿悟”，也是不是就从原先的一种叠加态到一种确定态？

利用量子态的特征，还可以建立更加安全的密码体系。通过量子态来传递秘钥是很安全的，在我们想要窃听的时候是对量子态进行准确的测量，就引起退相干，破坏原有的量子态，就被量子相干性的直接推论——“量子不可克隆（精确复制原理”禁戒。

（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）