著者：黃媂 / 黃姤

「量子」的世界總有一些很獨特的性質，實在是難以讓人理解，比如「光」怎麼可能既是一種波又是一種粒子呢！比如一個物體怎麼可能同時處於兩個不同的位置呢！比如「測不準原理」是不可能同時知道一個粒子的速度以及位置的！再比如幽靈般的「超距作用」· 兩個相距遙遠的物體竟然瞬間就能夠互相影響。「量子」的世界似乎總是如此不可理喻，其中最有名的就要當屬——「擼小貓的思想實驗」。

那是1935年一個陽光明媚的午後，薛定諤研究「量子力學」研究得有限倦怠了，便想擼個貓，於是無辜的小貓便被薛定諤關進了一個黑盒子之中，黑盒之中有一個自動化的裝置，裝置中還有一個放射性原子，這個原子有一定的機率發生衰變，衰變後會釋放射線，進而會觸發一個會殺死貓的裝置，一旦觸發這隻貓將必死無疑，也就是說「貓是生還是死」，完全取決於原子是否發生衰變，而衰變與否又是有一定機率的，在這裡請各位動物保護主義專家們嘴下留情，這畢竟只是一個思想實驗，薛定諤可不是什麼虐貓狂魔。

關於「薛定諤的貓」這個思想實驗，有兩種不同的觀點：

「經典物理學」的觀點——在這個罪惡的盒子之中，貓要麼是死的要麼是活的，但也只有我們開啟盒子以後才能知道，如果把盒子打開發現貓是活的，那麼貓就處於活的狀態。如果把盒子打開發現貓已經死了，那麼貓就處於死的狀態。並且有且只有這兩種結果，這可能是我們這些凡夫俗子的通常觀點，在這種理解中，重點是貓是生還是死，在我們開啟盒子以前就已經決定了，我們開啟盒子只是檢視結果罷了。

「量子力學」的觀點——在這種觀點中，貓在開啟盒子之前，既不是死的也不是活的，而是處於一種非生非死的生死疊加狀態，在盒子開啟的一瞬間，貓是生還是死，這個狀態才能確定。甚至可以打這麼一個比方，如果開啟盒子發現貓死了，它其實並不是被裝置殺死的，而是被開啟盒子的人看死的，因為它是由生死疊加的狀態變成了死的狀態，這樣一來似乎動物保護協會的愛貓人是要譴責那個把盒子開啟的人了。

如果你以前啊從來沒有了解過「量子力學」，會覺得「量子力學」似乎跟開玩笑似的，它只是一隻普通的貓咪嘛，它只能死或者活，從來沒有人見過什麼是一種叫做非生非死的生死疊加狀態。如果把貓換成人，那豈不是就是不死不活的了嗎？如果你還不覺得這種生死疊加的狀態有什麼靈異的地方，可以再舉另外一個例子。

舉例說明：

現在我們在看一場精彩的足球比賽，比賽進行到了89分鐘，雙方均無進球，場上比分0:0，場面十分焦灼，此時A隊的左後衛給了B隊前鋒一個大腿絆子，B隊獲得了一個前場25米的任意球，這個時刻所有的人屏住了呼吸，B隊的球員掄起大腿，就是一腳，皮球在空中畫出了一道美麗而又詭異的弧線，正在這千鈞一髮的時刻，電視機出現了整塊馬賽克，聲音也全部消失，轉播器訊號隨之中斷，現在你要預測這個球進了沒有？

如果你是一個專業的球迷，你會分析——這個球是C羅踢的還是梅西踢的，你可能還會分析門將在比賽的前一天晚上是否去了夜店等等因素。如果你是一個物理學的專家，你會分析球的受力、速度、方向、距離球門的距離，甚至草皮的摩擦力，球迷的分貝數等等。

一般來說，當皮球離開球員的球靴之後，只要我們把上面的全部因素帶入到運動公式中，詳細地計算一下，就完全可以預測這個球到底進了沒有。有一個常識是大家都可以公認的，那就是這個球「進或者沒進」與你是否正在看電視是沒有關係的，無論進球的時候你在聚精會神地盯著電視看，或者你在上廁所刷手機，該進的球還是會進，該不進的球還是進不了，哪怕你氣得把電視機砸了，都是沒有用的。

好了說到這裡，我想說的是，以上的內容全部都是廢話，但對於上面的情況，「量子力學」的科學家會說球「進或者沒進」，直接取決於你是否正在看球。如果你看了，球要麼就進了，要麼就沒進，但如果你沒有看，那麼球就處於「進或者沒進」的疊加狀態。當你看了電視以後，皮球就會有兩種結果，你甚至可以這麼說，球並不是被踢進去的，而是被你看進去的，有時科學就是這麼神奇，直覺告訴我們貓不可能既是死的又是活的，球不可能既進了門又沒進門，男神也不可能既喜歡我又不喜歡我。

「量子力學」的世界

根據我們的日常經驗，一個物體在某一時刻總會處於某個固定的狀態，「要麼在或者不在」兩種狀態，必居其一，然而在「量子力學」的世界中情況就有所不同了。微觀粒子可以處於一種不確定的狀態中，比如說一個粒子在某個時刻的位置，完全是不確定的，或者可以這麼說，在我們測量這個粒子的位置之前，這個粒子可以在這裡，也可以在那裡，在這裡和那裡有一個機率的分佈，一個基本粒子可以在任何的地方，不過有些地方的機率高，有些地方的機率低罷了。

再比如，一顆電子可以是左旋的，也可以是右旋的，也可以是既處於左旋又處於右旋的狀態，兩種狀態按照一定的機率疊加。然而當我們對電子的狀態進行測量時，粒子的疊加態便不復存在了，而是坍縮成為「左旋或者右旋狀態」的其中之一。

在微觀的世界中，到處都是這種疊加態狀態不明的粒子，可是如果我們回到宏觀世界，怎麼能夠接受一隻貓「不死不活死活疊加」呢？

當初薛定諤提出這個實驗的目的，就是因為他和愛因斯坦一樣，都是頑固的「量子力學」古典派分子，他們都認為世界是確定的，如果世界看起來不確定，那一定是因為我們對這個世界還不夠了解。薛定諤說，一隻貓是不可能處於「生或者死的疊加狀態」的，所以「量子力學」還不夠完備，還需要接著研究。

當時關於「量子力學」的另外一個學派是尼爾斯·亨利克·戴維·玻爾(Niels Henrik David Bohr，1885年10月7日-1962年11月18日)領導的哥本哈根學派，他們則認為——世界本身就是不確定的，那隻可憐又可恨的小貓就是處於「不生也不死的狀態」，而且只有當盒子開啟以後才能確定。世界本身就是隨機的，就是按照不同的機率疊加在一起的。

曠日持久的偉大爭論

一場曠日持久的偉大爭論開始了，爭論的雙方几乎可以說是20世紀最偉大的兩位科學家.在1920年德國柏林的一個春天，愛因斯坦和波爾第1次見面以後，雖然此後兩人一直都是彼此的好朋友，但是火星撞地球般的學術衝突開始了，兩人都不認同對方的觀點，爭議的焦點之一，就是——這個世界到底是隨機的還是確定的。

先簡單把這個爭論講一下——隨機，其實就是不確定性，它主要包含兩種：

一種是由於資訊的缺失造成的。

比如說考試成績出來之前，你的成績既可能是令人滿意的100分，也可能是令人悲傷的59分，也可能是其他任意一個分數，每個分數都有一定的機率，但是實際上對考試成績這件事情來說，它的隨機性來自於資訊的缺失，如果你知道正確的答案以及評分標準，那麼你就能夠知道你考了多少分。實際上當我們把卷子交上去之時，成績就已經確定了，這種隨機其實是一種“假隨機”，只是針對你的隨機，我們之所以認為成績不確定是因為我們掌握的資訊還不夠全面。

而另一種隨機就是真正的隨機了，是本質上的隨機，即便你瞭解這個世界上的一切，你也無法判斷結果。

舉例說明：就拿咱們上文所說的左旋或者右旋的粒子作為例子。

誰也不清楚在測量之前這個粒子是左旋還是右旋，在測量它之前，它不傾向於任何一種狀態，只能處於左旋或者右旋兩種狀態的疊加。

愛因斯坦和波爾他們爭議的焦點之一，就在於「量子」所表現出來的隨機性，到底是因為它本身就是隨機的，還是因為人類還不夠了解「量子」沒有發現事情的真相。愛因斯坦其實也算得上是「量子力學」的奠基人之一了，但他卻終生反對「量子力學」，他希望證明一件事情，那就是——「量子力學」中所謂的不確定性是由於量子力學的不完備性造成的，「量子」只是表面性地隨機，只是因為我們還沒有掌握所有的資訊。

就像我們考試後因為不知道正確答案和評分標準，而無法知道自己的考試成績那樣，一些我們暫時還不知道的因素在起著重要的作用，導致我們無法確切地知道每一次的觀測結果，所以我們只能繼續發展「量子力學」，直到找到那些不確定性的因素，從而精準地預測。

而波爾的回答相對來說要乾脆一些，「量子」看起來具有隨機性，那是因為它本身就是隨機的，隨機性就是這個世界最基本的規律之一，它只有在被觀測時才能變成確定的狀態，然而在測量的過程中為什麼隨機就能變成確定，這其中發生了什麼樣的事情？波爾不知道，其他人也不知道，科學家給它起了一個名字叫做——坍縮。

1935年，愛因斯坦派出了他的小弟薛定諤提出了「薛定諤的貓思想實驗」，並藉此提出一隻「生死疊加態」的小貓，想借此證明波爾的理論是荒謬的。在這個實驗中，一隻可憐的貓竟會處於既生又死的生死疊加狀態，對於量子尺度的物體，比如一個原子，你可以接受它是疊加的狀態，然而薛定諤把量子世界與貓這樣一個宏觀的物體糾纏了起來，從而得到貓「既不是死的又不是活的」這樣違背直覺的結果。薛定諤說貓不可能處於既是死又是活的狀態，所以「量子力學可」不是世界的最終解釋，他認為一定存在一些我們不知道的未知因素，影響了箱子中的那顆粒子，是它決定了小貓的死亡，小貓在盒子開啟之前就已經確定了生死。

「薛定諤的貓思想實驗」一經提出，以波爾為首的量子力學哥本哈根學派大亂，包括波爾在內，沒有任何人相信世界上竟然還存在著“不死不活又死又活死活不明的貓”。薛定諤曾經和波爾之間有過一場激烈的爭論，兩人如同武林高手一般，爭論了幾天幾夜，到了最後薛定諤因為體力不支而倒在了床上，波爾此時意猶未盡，還沒爭論完。於是就讓自己溫柔賢惠的妻子負責照顧薛定諤以便兩人能夠繼續爭論下去，從這件事情上我們可以看出阿波爾特別像武俠小說中的武痴，為了切磋科學知識，他甚至不介意自己的妻子與一位大名鼎鼎的花花公子薛定諤共處一室。

具有諷刺意味的是薛定諤也是「量子力學」的奠基人，他的「薛定鄂方程」是描述微觀粒子運動的最好工具，可薛定鄂的後半生也在不知疲倦地否定「量子力學」。更具有諷刺意味的是儘管「薛定諤的貓思想實驗」是為了反對「量子力學」而提出的，可是很多年以後他就間接證明了「量子力學」的正確性。

如果科學家能夠證明那種生死疊加狀態的貓是存在的話，那麼波爾的學說就是正確的，然而生死疊加的狀態的貓存在與否，我們說了不算，甚至愛因斯坦、波爾和薛定諤說了也不算，一切還要看實驗的結果。

圖解：薛定鄂方程

糾纏態的「量子疊加態」

從上個世紀開始，實驗物理學家們做了一系列的實驗，人們發現真理的天平逐漸地倒向了波爾。

1999年，維也納大學的兩位科學家成功地讓一個由60個原子構成的分子產生了疊加作用，後來他們還成功地讓一個包含了430個原子，直徑達到6奈米的有機分子展示出了「量子波動性」。這已經是和蛋白質大小相當的量子物體了，實驗中有機分子同時通過了多條狹縫，也就是處於不同位置的疊加狀態，目前人類已經能夠讓肉眼可見的物體處於疊加狀態了。

2011年，牛津大學的物理學家成功地用鐳射脈衝，在兩塊相距15釐米、直徑為3毫米的金剛石體中激發出了糾纏態的「量子振動」，這些可以說是縮小版本的薛定鄂的貓。

如今已經可以讓一些巨大的物體放大到量子疊加態裡面了，比如說大約1.6億個光子就可以同時處於不同的疊加態中，一個超導體可以實現同時向左流或者向右流的電流。然而「薛定諤的貓思想實驗」都是沒有生命的，所以問題依然還存在，那就是真正有生命的貓會處於生或者死的疊加狀態嗎？

答案：不會的！

因為一隻貓儘管有可能會被裝置殺死，但是之前我們需要保證它的周圍有空氣，這樣前提它存在、前提是貓是活的，物理學家們發現只要貓和環境有接觸，就不可能同時處於生或者死的狀態，這裡需要用到其他的「量子理論」了，比如「退相干理論」。

聽到這裡您可能會覺得燒腦、眩暈、不懂、不知所云。的確啊，「量子力學」從它誕生的那一天起，就在挑戰我們的認知，不僅我等凡夫俗子找不到北，大科學家同樣也暈，諾貝爾物理學家得主費曼曾經說過——

“沒有人懂「量子力學」。”

量子論的創始人之一波爾也說過——

“如果誰不為「量子力學」感到困惑，那就是你不懂「量子力學」。”

所以說，如果您感覺本文燒腦、眩暈、不懂、不知所云，這是一件好事。恭喜您，您已經是懂得一點「量子力學」了。

圖解：快速入門量子力學，看這圖就夠啦！

黃媂結語·「擼小貓的思想實驗」

「擼小貓的思想實驗」是一個放大「量子力學」不確定性的思想實驗，儘管這個實驗不可能在貓的身上成功地實現，但是卻在其他的宏觀物體上實現了。薛定諤當年為了駁倒「量子力學」中的哥本哈根學派，可到頭來經過實驗物理學家的長期努力，倒是支援了波爾的學說，對這個學說您可能有點不太接受，那是因為在這個學說中世界是不確定的。

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