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商務(wù)咨詢/顧問/請(qǐng)@yellowscholar?作者：黃先生斜杠青年

＃科學(xué)史 ＃量子力學(xué) ＃物理學(xué)

圖片通過AI生成

薛定諤貓的怪異悖論得到了持久的流行。這對(duì)量子物理學(xué)的未來意味著什么？

1935 年，奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤 （Erwin Schr?dinger） 發(fā)表了一篇相當(dāng)關(guān)鍵的三部分評(píng)論，評(píng)論了他所說的相對(duì)較新的量子力學(xué)理論中的“現(xiàn)狀”。在很大程度上，薛定諤的評(píng)論是用德語寫的，是枯燥乏味的，而且是技術(shù)性的，不是那種會(huì)讓量子物理學(xué)這個(gè)狹隘的學(xué)術(shù)世界之外的人感到困惑的東西。但在一小段話中，他把舌頭牢牢地貼在臉頰上，飛向了一個(gè)幻想，90 年后，這個(gè)幻想繼續(xù)在流行文化中引起共鳴。該段落涉及薛定諤的同名貓。一個(gè)關(guān)于數(shù)學(xué)上復(fù)雜且相當(dāng)令人困惑的物理學(xué)理論的晦澀難懂的論點(diǎn)是如何作為對(duì)人類心理的非凡探索而嵌入公眾意識(shí)的？這篇文章講述了這個(gè)故事。

以下是薛定諤所寫的（由 John D Trimmer 翻譯的英文）：

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.

翻譯過來就是：

人們甚至可以設(shè)置相當(dāng)荒謬的案例。一只貓被關(guān)在一個(gè)鋼室里，還有以下惡魔般的裝置（必須防止貓的直接干擾）：在蓋革計(jì)數(shù)器中，有一點(diǎn)放射性物質(zhì)，小到可能在一小時(shí)內(nèi)一個(gè) [放射性] 原子衰變，而且，以同樣的概率， 也許沒有;如果發(fā)生這種情況，反管會(huì)放電，并通過繼電器釋放一個(gè)錘子，該錘子會(huì)打碎一小瓶氫氰酸。如果一個(gè)人把整個(gè)系統(tǒng)留給自己一個(gè)小時(shí)，那么如果在此期間沒有原子衰變，那么這只貓還活著。第一次原子衰變會(huì)毒害它。整個(gè)系統(tǒng)的 [量子波函數(shù)] 將通過將活貓和死貓（請(qǐng)?jiān)忂@個(gè)表達(dá)）混合或涂抹成相等的部分來表達(dá)這一點(diǎn)。

雖然這只是一個(gè)“思想”實(shí)驗(yàn)，但薛定諤的貓的悖論注定要加入巴甫洛夫的狗的行列，成為科學(xué)界的怪異動(dòng)物寓言。

我是斜杠青年，一個(gè)PE背景的雜食性學(xué)者！?致力于剖析如何解決我們這個(gè)時(shí)代的重大問題！?使用數(shù)據(jù)和研究來了解真正有所作為的因素！

為了理解薛定諤的意思，我們需要做一些解讀。薛定諤的“惡魔裝置”的性質(zhì)實(shí)際上對(duì)他的論點(diǎn)并不重要。它的目的只是放大一個(gè)原子尺度的事件——放射性原子的衰變——并將其提升到更熟悉的規(guī)模，即一只被困在鋼箱里的活貓。描述在原子和亞原子粒子（如電子）尺度上發(fā)生的物體和事件的理論是量子力學(xué)。但在這個(gè)理論中，原子和亞原子粒子并不是被描述為在太空中移動(dòng)的微小的、自給自足的物體。相反，它們被描述為量子波函數(shù)，量子波函數(shù)捕捉到了它們觀察到的行為的一個(gè)非常奇怪的方面。在某些情況下，這些粒子也可能表現(xiàn)得像波。

這些截然不同的行為再明顯不過了，或者說似乎是不相容的。粒子具有質(zhì)量。就其本質(zhì)而言，他們是“在這里”的：他們?cè)诳臻g中被定位，并在從這里移動(dòng)到那里時(shí)保持被定位。將許多粒子扔到一個(gè)小空間里，就像彈珠一樣，它們會(huì)碰撞，向不同的方向相互反彈。另一方面，波在空間中傳播——它們是“非局部的”。將它們擠過一個(gè)狹窄的縫隙，就像海浪穿過港墻的縫隙一樣，它們會(huì)向外擴(kuò)散。物理學(xué)家稱之為衍射。將一堆不同的波推到一起，它們會(huì)合并形成物理學(xué)家所說的疊加。所有不同波浪的波峰和波谷加在一起。當(dāng)峰與峰相遇時(shí)，結(jié)果是更大的峰。在低谷與低谷相遇的地方，結(jié)果是更深的低谷。在高峰與低谷交匯處，它們都會(huì)減少，如果它們恰好具有相同的高度和深度，它們將完全相互抵消。物理學(xué)家稱之為干涉。

到 1935 年，量子力學(xué)的數(shù)學(xué)公式相對(duì)成熟，并被大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為是完整的。但該理論并沒有說明所有量子怪異應(yīng)該在哪里停止。當(dāng)應(yīng)用于放射性原子時(shí)，量子理論說，一個(gè)小時(shí)后，原子的波函數(shù)表示為衰變和未衰變?cè)拥南嗟然旌衔铩B加。

那么，這只貓是死是活呢？我們無法知道，直到我們掀開盒子的蓋子，去看

那么，這只貓是死的還是活的呢？我們無從得知，除非我們掀開盒子的蓋子，再看一看。如果我們堅(jiān)持將量子理論延伸到貓身上，那么在我們掀開蓋子的時(shí)候，波函數(shù)就會(huì)“坍縮”，然后我們發(fā)現(xiàn)貓是活的，還是死的。但是，這里有一個(gè)小問題，它會(huì)產(chǎn)生巨大的后果。在量子力學(xué)的數(shù)學(xué)公式中，你找不到描述這種崩潰的方程式。我們只能假設(shè)它發(fā)生了。

好吧，但我們至少能在揭開蓋子之前預(yù)測貓的命運(yùn)嗎？量子理論說：不，我們不能。根據(jù)公認(rèn)的解釋，兩種可能性的疊加反映了得到其中一種或另一種的相對(duì)概率。但是，只有當(dāng)假設(shè)波函數(shù)已經(jīng)崩潰時(shí)，當(dāng)一種可能性和另一種可能性的疊加轉(zhuǎn)化為一種或另一種現(xiàn)實(shí)時(shí)，這些概率才會(huì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際結(jié)果。看起來，看的行為真的殺死了貓，或者沒有。

這是一件大事。這與拋出一枚 “公平 ”的硬幣，并以相等的概率獲得正面或反面不同。我們通常不會(huì)選擇將硬幣描述為硬幣在空中旋轉(zhuǎn)時(shí)處于正面和反面的疊加狀態(tài)，盡管原則上沒有什么可以阻止我們這樣做。我們不這樣做，因?yàn)槲覀儺?dāng)然知道，當(dāng)我們把硬幣拋向空中時(shí)，硬幣的兩面都保持不變，當(dāng)它落到地上時(shí)，硬幣的兩面都會(huì)旋轉(zhuǎn)。但這不是量子力學(xué)的運(yùn)作方式。現(xiàn)在有許多量子實(shí)驗(yàn)表明，假設(shè)原子或電子等物體在被觀察到之前就以某種狀態(tài)存在，可以給出與量子理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相沖突的預(yù)測。我們根本離不開疊加或概率。我們需要怪異。

一個(gè)盡管大多數(shù)物理學(xué)家似乎已經(jīng)接受了量子力學(xué)提供了單個(gè)量子物體和事件的完整理論的論點(diǎn)，但也有一些明顯的反對(duì)者。阿爾伯特·愛因斯坦 （Albert Einstein） 對(duì)量子理論對(duì)因果定律的影響以及訴諸概率從來都不滿意，他曾宣稱上帝“不玩骰子”。1935 年早些時(shí)候，愛因斯坦和他在普林斯頓的同事鮑里斯·波多爾斯基 （Boris Podolsky） 和內(nèi)森·羅森 （Nathan Rosen） 發(fā)表了一篇具有里程碑意義的論文，認(rèn)為量子力學(xué)不能被視為一個(gè)完整的理論。缺少了一些深刻的東西。盡管他們?cè)诩?xì)節(jié)上存在分歧，但愛因斯坦和薛定諤有著共同的事業(yè)，他們?cè)谡麄€(gè) 1935 年夏天的通信激發(fā)了薛定諤發(fā)展他的貓悖論。

薛定諤明白，在任何情況下都不能認(rèn)為他的貓既是活的又是死的。就他而言，他的悖論揭示了量子理論的明顯荒謬性，不是通過暗示“量子理論說”由一只活貓和死貓組成的疊加是一種真實(shí)的可能性，而是通過暗示量子理論沒有說的東西會(huì)導(dǎo)致邏輯上的荒謬。愛因斯坦回答說：“......你的貓表明我們完全同意。

事情就這樣暫時(shí)擱置了。貓悖論僅限于一篇長篇評(píng)論文章中的一段，薛定諤的異議與大多數(shù)物理學(xué)家?guī)缀鯖]有什么關(guān)系，包括那些花時(shí)間思考量子理論含義的物理學(xué)家。它在愛因斯坦和薛定諤之間的通信中幸存到 1950 年代初，并于 1957 年在英國布里斯托爾舉行的物理學(xué)家和哲學(xué)家會(huì)議上重新出現(xiàn)。

惡魔般的機(jī)制現(xiàn)在涉及電死貓（或不電死）

在會(huì)議論文集的一次討論中，美國物理學(xué)家大衛(wèi)·玻姆 （David Bohm） 復(fù)活了薛定諤的貓。到這個(gè)時(shí)候，這個(gè)悖論已經(jīng)進(jìn)化出來，它基于單個(gè)光子（光的“粒子”）穿過（或不通過）半銀（或“單向”）鏡子。與放射性原子一樣，光子有 50/50 的機(jī)會(huì)穿過鏡子或被鏡子反射。光子的通過觸發(fā)了一個(gè)惡魔般的機(jī)制，在這個(gè)機(jī)制中，貓被槍殺死。

1965 年，美國哲學(xué)家希拉里·普特南 （Hilary Putnam） 在一篇題為“哲學(xué)家看量子力學(xué)”的文章中再次出現(xiàn)這個(gè)悖論。光子和半鍍銀的鏡子仍然存在，但惡魔般的機(jī)制現(xiàn)在涉及電死貓（或不電死）。普特南總結(jié)說：“今天沒有令人滿意的量子力學(xué)解釋。

接下來發(fā)生的事情相當(dāng)有趣。1972 年，美國科幻小說作家烏蘇拉·勒金 （Ursula Le Guin） 在為她正在寫的一本書研究愛因斯坦的狹義相對(duì)論時(shí)，發(fā)現(xiàn)了對(duì)薛定諤的貓的引用。正如哲學(xué)家羅伯特·克雷斯 （Robert Crease） 在 2024 年的一篇文章中所說，她立即“被隱含的不確定性所吸引，并欣賞薛定諤形象的奇妙本質(zhì)”。我們無法確定確切的事件和時(shí)間，因?yàn)?Le Guin 閱讀量非常廣泛，但沒有系統(tǒng)地做筆記，但這是朱莉·菲利普斯 （Julie Phillips） 的“最佳猜測”，她正忙于撰寫 Le Guin 的授權(quán)傳記，將于 2026 年 4 月出版。菲利普斯被她的拍攝對(duì)象要求“從禿鷹中解救出來”，在作者于 2018 年去世之前，菲利普斯對(duì) Le Guin 進(jìn)行了多次深入采訪。他們同意這本傳記將在他去世后出版。

在她的短篇小說《薛定諤的貓》（1974 年）中，Le Guin 展示了 Bohm 版本的悖論，涉及光子、半銀鏡子和槍。在無名敘述者和一只名叫 Rover 的狗之間的對(duì)話中，Le Guin 寫道：

‘…我們無法預(yù)測光子的行為，因此，一旦它的行為，我們就無法預(yù)測它所確定的系統(tǒng)的狀態(tài)。我們無法預(yù)測！上帝與世界玩骰子！因此，它完美地證明了，如果你渴望確定性，任何確定性，你都必須自己創(chuàng)造它！

“怎么做到的？”

“當(dāng)然是掀開箱子的蓋子，”Rover 說......

閘門打開了。從那時(shí)起，薛定諤的貓經(jīng)常出現(xiàn)在小說中。不僅僅是科幻小說，還有廣泛的短篇小說和小說、電影、戲劇、電視節(jié)目、詩歌和音樂。1980 年代初物理學(xué)的發(fā)展同時(shí)推動(dòng)了人們對(duì)流行的非小說類作品的興趣，例如約翰·格里賓 （John Gribbin） 的《尋找薛定諤的貓》（1984 年）。

貓的文化吸引力在于它引發(fā)的“如果”問題。它鼓勵(lì)我們思考我們?nèi)祟愡x擇的后果。如果我們選擇不看呢？如果我們不看，貓真的可以說存在嗎？我們掀開蓋子的決定很像遇到岔路口。我們選擇一條路。就像美國詩人羅伯特·弗羅斯特 （Robert Frost） 一樣，我們可能會(huì)選擇人跡罕至的路。但是，如果我們走了另一條路呢？電影《滑動(dòng)門》（Sliding Door，1998 年）講述了兩個(gè)平行的故事，一個(gè)是海倫·奎利（海倫·奎利，格溫妮絲·帕特洛飾）錯(cuò)過了倫敦地鐵的火車，另一個(gè)是她設(shè)法登上火車時(shí)展開的。奎利的生活截然不同，這取決于她是否敲開滑動(dòng)門上了火車。這樣一個(gè)微不足道的“滑門時(shí)刻”可能會(huì)深刻地改變我們的未來進(jìn)程，這令人深感不安。

還有更多。正如 Le Guin 本人在她的短篇小說中所觀察到的那樣，掀開蓋子的行為似乎沒有什么特別之處，量子力學(xué)對(duì)怪異在事件鏈中停止的問題保持沉默。她寫道：“但是，為什么打開盒子并查看會(huì)將系統(tǒng)減少到一個(gè)概率，要么是活貓，要么是死貓呢？當(dāng)我們掀開盒子的蓋子時(shí)，為什么不被納入系統(tǒng)呢？我們是否會(huì)像貓一樣，被困在一個(gè)我們稱之為現(xiàn)實(shí)的更大盒子里？如果我們是，誰在尋找？當(dāng)他們揭開蓋子時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

如果觀察盒子內(nèi)部的行為沒有使系統(tǒng)的波函數(shù)崩潰，那么從邏輯上講，觀察者必須反過來被疊加所糾纏。“我們?cè)谶@里，”Le Guin 寫道，“看著一只活貓，然后......看著一只死貓。如果你是那個(gè)在看的人，那么現(xiàn)在就會(huì)有另一個(gè)疊加，涉及你的兩個(gè)版本。

一個(gè)在這一點(diǎn)上，我們可能很想對(duì)量子力學(xué)進(jìn)行完全不同的解釋。如果數(shù)學(xué)沒有解釋波函數(shù)的坍縮，為什么還要假設(shè)它發(fā)生了呢？為什么不假設(shè)，正如 Le Guin 所建議的那樣，當(dāng)你掀開蓋子時(shí)，你會(huì)與系統(tǒng)糾纏在一起呢？由于從來沒有人體驗(yàn)過與多個(gè)版本的自己共存的怪異感覺，他們都目睹了不同的事件，我們可以進(jìn)一步假設(shè)掀開蓋子的行為將宇宙“分裂”成兩個(gè)平行的版本。在一個(gè)宇宙中，一個(gè)版本的你觀察到了一只死貓。在另一個(gè)宇宙中，另一個(gè)版本的你觀察到了一只活貓。沒有怪異的感覺，因?yàn)檫@些不同的宇宙已經(jīng)分叉了，你完全沒有意識(shí)到自己的其他平行版本。

這就是所謂的“多世界”解釋，由美國物理學(xué)家休·埃弗雷特三世 （Hugh Everett III） 于 1957 年提出。它為我們提供了一個(gè)平行可能性的多元宇宙。多元宇宙允許更廣泛、更復(fù)雜的“假設(shè)”范圍，超越與滑動(dòng)門時(shí)刻相關(guān)的二元生/死類型問題。如果你的選擇的影響隨著時(shí)間的推移而積累，不僅會(huì)改變你的未來環(huán)境，還會(huì)改變你的整個(gè)性格呢？

在一個(gè)充滿可能性的多元宇宙中，是否存在多種截然不同的版本，你們的行為舉止截然不同，過著不同的生活？也許在其中一個(gè)宇宙中，你是人性化的、善良的，但無家可歸，淪落到街角乞討。但在另一個(gè)宇宙中，你是一個(gè)沒有同情心的科技億萬富翁，威脅要破壞公認(rèn)的世界秩序。布萊克·克勞奇 （Blake Crouch） 的小說《暗物質(zhì)》（Dark Matter，2016 年）對(duì)這些問題進(jìn)行了深入探討，效果很好，該小說被改編成電視，并于去年在 Apple TV+ 上播出。

流行文化中的薛定諤之貓滿足了我們?nèi)祟惻c生俱來的對(duì)神秘的渴望，并為大膽的想象力提供了許可，幫助我們探索是什么讓我們成為“我們”。而且，值得注意的是，它聲稱以科學(xué)的名義做這些事情，因?yàn)檫@就是“量子理論所說的”。誰能想到物理學(xué)會(huì)如此有趣？

這并不意味著貓實(shí)際上是同時(shí)活著和死著的

唉，大多數(shù)物理學(xué)家都采取了更冷靜的觀點(diǎn)。在 1920 年代和 30 年代，量子力學(xué)的創(chuàng)始人對(duì)這些解釋問題嘮叨不解，并得出了許多人認(rèn)為令人滿意的解決方案，盡管有些人（如愛因斯坦和薛定諤）認(rèn)為它們非常不令人滿意。

疊加，更廣泛地說，量子波函數(shù)實(shí)際上代表什么？一種觀點(diǎn)與丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾 （Niels Bohr） 關(guān)系最密切，通常被稱為“哥本哈根解釋”，即這些只是計(jì)算工具，不能按字面意思理解。它們不是真實(shí)的：它們純粹是象征性的。疊加只是代表了我們對(duì) cat-in-a-box 系統(tǒng)的了解，我們使用量子力學(xué)方程來計(jì)算各種預(yù)期結(jié)果的概率。

所以，當(dāng)我們談?wù)撠執(zhí)幱谏c死的疊加狀態(tài)時(shí)，這并不意味著貓實(shí)際上是同時(shí)活著和死著的。事實(shí)上，我們不知道貓的真實(shí)狀態(tài)是什么，也不知道如何描述它的真實(shí)物理情況，因?yàn)槲覀儫o法確定放射性原子何時(shí)會(huì)衰變，或者光子是否會(huì)透射或反射。但是，如果我們把這個(gè)系統(tǒng)表示為一個(gè)疊加，我們就知道我們會(huì)做出與實(shí)驗(yàn)一致的預(yù)測。大多數(shù)物理學(xué)家，至少是那些可以費(fèi)心思考這些事情的人，都采用這種觀點(diǎn)。這可能就是他們不經(jīng)常被邀請(qǐng)參加派對(duì)的原因。

由此可見，我們宣布怪異在事件鏈中的確切位置停止并不重要。我們?cè)谀睦锓胖靡缘聡锢韺W(xué)家維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）命名的“海森堡切割”并不重要，此時(shí)我們停止使用量子力學(xué)并轉(zhuǎn)向 300 多年前由艾薩克·牛頓 （Isaac Newton） 發(fā)表的更熟悉的物理學(xué)理論。這是我們假設(shè)波函數(shù)坍縮的點(diǎn)，我們用實(shí)際結(jié)果的 or 替換量子疊加的 and。

海森堡是玻爾小組的成員，盡管在他的一些聲明中，他與玻爾的哲學(xué)大相徑庭。就海森堡而言，我們選擇在哪里切割并不重要。但貓不是放射性原子，也不是光子。它顯然不屬于量子領(lǐng)域，量子力學(xué)的方程式，即使是象征性的解釋，也不應(yīng)該適用于它。玻爾更喜歡將切口放在與惡魔裝置的早期階段相關(guān)的“不可逆的放大行為”的點(diǎn)上。我們無法具體說明在這個(gè)過程中怪異的確切位置或時(shí)間停止，這并不能證明這發(fā)生在我們到達(dá)貓之前很久的結(jié)論。

薛定諤在 1935 年的評(píng)論中以以下觀察結(jié)束：

為此提供的簡單程序......也許畢竟只是一個(gè)方便的計(jì)算技巧，但正如我們今天所看到的，它已經(jīng)對(duì)我們對(duì)自然的基本態(tài)度產(chǎn)生了前所未有的影響。

我們面臨著一個(gè)選擇。我們可以認(rèn)識(shí)到，量子力學(xué)——盡管它很奇怪——是一個(gè)純粹的符號(hào)框架，用于預(yù)測我們實(shí)驗(yàn)的概率結(jié)果。這確實(shí)是一個(gè)計(jì)算技巧，不能從字面上理解，它使我們能夠處理一個(gè)原本深不可測的原子和亞原子世界。

或者我們可以認(rèn)識(shí)到（與愛因斯坦和薛定諤一起）量子理論至少是不完整的，而且非常不令人滿意。一個(gè)能夠理解原子和亞原子世界的理論應(yīng)該是可能的，只要我們有尋找它的意愿和找到它的智慧。

這是岔路口。你會(huì)走哪條路？

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