有關薛定諤的貓的一切

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相信很多人都聽說過“薛定諤的貓”，但大多數人并不知道它是個故事，還是個理論，或者只是一只主人名字很怪的貓。我聽過最有趣回答是說 “你是指那個關于把貓從20樓扔下來但是不會摔死因為它與眾不同的生理構造的理論嗎？”好吧并不是... 也可能你知道這是個把貓關起來做實驗的事，還和量子力學有點關系，但各種科普文章里解釋這只貓“既活著也死了”的結論實在是讓人一頭霧水。這篇文章的目的，就是講清楚這只特別的貓的由來和它的意義。可能稍微涉及一點量子力學的知識，但是相信我，并不復雜。而且比起來從此了解薛定諤的貓的本質，知道量子力學到底在講什么，甚至能夠讓我們用全新的視角審視這個世界的收獲來說，肯定值得。

我們先來看看這個實驗具體說了些什么。

奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤在1935年提出了一個思想實驗，將一只貓放到一個不透明的盒子里，同時還放入一個放射性的粒子和一瓶毒藥。放射性粒子發生放射的概率是50%，不放射的概率也是50%。一旦放射，將觸發機關打破藥瓶毒死這只貓。

（靈魂畫師手繪圖1）

按照量子力學的觀點，在未打開盒子之前，這只貓將處于既活著也死了的狀態（注意，這里有一個關鍵點：不是生死不明，而是“既死又生”）。直到打開盒子觀察的瞬間，貓的狀態變成一個確定狀態（量子力學中叫做：坍縮），貓的生死被瞬間決定了（這里的第二個關鍵點：打開盒子觀察，不是看到了貓的生死，而是決定了貓的生死）。

這個實驗的兩個關鍵點，一個是概率，一個是觀察。這兩件事，也是理解量子力學的關鍵。

其實大多數人看到這個實驗的第一反應都是有點懵，然后會嘗試用物理常識和生活經驗加以理解。最常見的理解方式，這就像我們下班回家，母親可能在家，也可能去跳廣場舞了不在家，所以在沒有打開房門之前，她就處于可能在家也可能不在家的狀態，而只有打開房門才能確定她是不是在家。可這不就是生活常識嗎？跟量子力學有什么關系。但在這個宏觀的例子中，母親在家或不在家是個確定的狀態，只是處在什么狀態我們還不知道，直到打開門，我們才能確定母親是否在家。而量子力學告訴我們說，在微觀量子世界里，母親處于在家和不在家同時發生的疊加狀態，而你打開房門的動作不是確認母親是否在家，而是決定了母親是否在家。

（靈魂畫師手繪圖2）

但這怎么可能呢？人或事物的狀態在某一時刻不應該只有一個嗎？這種“不同狀態的概率疊加+觀察決定”的理論一經提出，就受到各種非議。這也正是薛定諤設計盒子里的貓這個思想實驗的目的：這不可能 —— 他本人并不信這種理論。

薛大師是量子力學的重要奠基人之一，他提出的薛定諤方程是量子力學最重要的基礎理論之一，這個方程排在世界十大公式之六（排第四第五的分別是“勾三股四弦必五”的勾股定理和愛因斯坦的E=mc2...）。但即使是量子學的奠基人，全世界的物理學家都用他的方程研究微觀粒子的狀態，薛定諤本人對量子力學的根本屬性卻仍然是困惑不已（量子物理學家可能都有點人格分裂..）。“不同狀態的概率疊加+觀察決定”的理論被稱為“哥本哈根詮釋”，誕生于1920年代，是用來解釋當時量子力學各種匪夷所思的實驗現象的幾個理論的統稱。數百年來人類智慧的頂尖人物一直在苦心尋找各種“規律”來解釋這個世界，無論是牛頓，麥克斯韋（電磁理論奠基人）還是愛因斯坦。

然而量子力學的“哥本哈根詮釋”本質上是用“概率和不確定性”來描述我們的世界，而非規律，這徹底顛覆了科學界，乃至人類的思維方式和對世界的認知。薛定諤提出的這個思想實驗，其實是為了諷刺這個理論，他希望物理學家們能再多動動腦筋，用新的理論代替這個“我們的世界就是個忽悠”的理論。而和他一條陣線，大聲疾呼“我們的世界不忽悠”（原話是“上帝不擲骰子”..）的，正是愛因斯坦。然而，不幸的是，20世紀近百年來的各種微觀實驗，一次次證實薛定諤和愛因斯坦都錯了。上帝是個名副其實的大忽悠。

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接下來我們用一個真實的實驗來說明薛定諤的貓在微觀世界里的情況。電子雙縫干涉實驗。

在講這個實驗之前，為了不讓思維過于發散，要記得我們的所有思考都要專注于解釋兩件事：概率，和觀察的作用。

我們在高中物理都學過雙縫干涉實驗，就是在絕對黑暗的密室中，把一束光射向兩道相近的窄縫，會在后面屏幕上出現明暗相間的條紋（干涉條紋），以此來證明光是一種波。因為所有的波（聲波，水的漣漪，電磁波等）在穿過兩道窄縫后，都會因為彼此不斷地疊加（波峰+波峰 or 波谷+波谷）、抵消（波峰+波谷），最終形成明暗條紋。后來愛因斯坦因為光電效應證實光同時也是一種粒子，從而為微觀粒子的“波粒二象性”這個量子力學重要概念打下基礎。盡管“波粒二象性”現在已經廣為人知，但事實上這是一件非常違背常識的事，只要我們把光換成電子，就可以理解這個事情有多奇怪了。

我們都知道電子是一種粒子，帶負電，并且圍繞著原子核運動。而1920年代的實驗就已經證明，一束電子流也能像一束光一樣在雙縫實驗中留下干涉條紋，從而證明電子也是一種波，也具有波粒二象性。這似乎是高中物理知識，乍一聽好像也沒有什么讓人震驚的。

（靈魂畫師手繪圖3）

但現在讓我們稍微改變一下實驗形式，不是發射電子流，而是一次只發射一個電子，會有什么現象呢？這種一個一個地發射電子的方式，很像在射擊場打靶。如果靶子正中間也有兩道縫，然后用步槍一顆一顆地發射子彈，我們就能同時觀察在微觀和宏觀世界的異同。電子穿過縫隙會在屏幕上留下一個亮點，然后再發射第二個電子。而子彈穿過靶子上的縫隙也會在后面的墻上留下一個洞，之后再發射第二顆子彈。

在靶場，隨著我們打出的子彈數量的增加，穿過左右縫隙的的子彈會在墻壁上形成越來越多的彈孔（當然有很多子彈并沒穿過縫隙被靶擋住），而這些彈孔一開始可能不規律，但逐漸有的偏左（從左邊縫隙穿過），有的偏右（從右邊縫隙穿過）。如果你的槍法足夠好，也可能左面多右面少（只瞄著左面的縫隙打），或者右面多左面少（只瞄著右面的縫隙打）。總之，最終墻壁上會留下左右兩堆彈孔。

（靈魂畫師手繪圖4）

但是在實驗室，電子卻呈現了完全不同的一面。一開始，和子彈打靶一樣，穿過縫隙的電子在屏幕上留下的亮點也沒什么規律，但逐漸的，規律開始顯現，但卻不是左右兩堆亮點，而是，明，暗，明，暗....的干涉條紋！

（靈魂畫師手繪圖5）

沒錯，一個一個地發射，最終也表現出波一樣的特性！但這怎么可能？每次只發射一個電子，每個電子怎么知道自己最終要飛向“亮”的區域還是“暗”的區域？而且干涉條紋是兩道波之間干涉產生的，每次只發射一個電子，它和誰干涉？難道...和自己？是的，自己和自己干涉。

這就是我們要說的第一個關鍵，概率（量子力學中用波函數描述）。量子力學的解釋是，電子在到達左右縫隙的瞬間處在這樣一個狀態：既從左邊縫隙穿過，也從右邊縫隙穿過，既同時穿過兩道縫隙，也都沒穿過。它處在這四種可能同時發生的“疊加狀態”，每種可能的狀態對應一個概率。

還是讓人難以理解，子彈是一顆一顆穿過縫隙的，電子也是一個一個穿過縫隙的，怎么會如此不同？如果我們在靶場上放一臺高速攝像機，就能看到子彈是從哪個縫隙穿過的。同樣，在電子穿過兩道縫隙的位置也放一臺，是不是也能看到電子是從哪道縫穿過的？是的，沒有什么能逃過高速攝像機的眼睛，隨著電子一個一個的發射，我們果然能夠在攝像機中看到電子是從哪道縫隙穿過的。

但是，當回過頭看屏幕，我們熟悉的干涉條紋，消失了！！只剩下和子彈的彈孔一樣的兩堆亮點。而當我們撤下高速攝像機，繼續發射電子，干涉條紋重新出現！甚至如果我們換了一臺速度沒那么快，看得沒那么清楚的中高速攝像機，干涉條紋竟然也變得隱隱約約！似有似無！電子，就好像靈魂附體一樣，完全知道我們的一舉一動。

（靈魂畫師手繪圖6）

這正是我們要說的第二個關鍵，觀察（量子力學中叫做測量）。攝像機的作用，正是觀察，這一人的主觀動作。這也是讓量子力學變得神秘的主要因素之一。當你不去觀察的時候，量子給你一個不確定的，概率的結果。而當你觀察的時候，量子給你一個確定的，唯一的結果。人的主觀意志在微觀量子世界的決定性作用這一真實實驗結果，讓我們從根本上重新審視對這個世界的看法。我們所看到的世界是否只是真實世界無數可能中的一種？而正是我們的主觀意志讓我們看到了眼前這個世界的樣子？“你看到是因為你想要看到”。難道，意識真的能決定物質？

在我們陷入哲學問題的討論之前，還是先搞清楚，為什么觀察在這里起到決定性作用？在我們觀察的瞬間，到底發生了什么？

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我們日常所說的“觀察”或者“看見”，其實是光照射物體被反射或者漫反射到我們眼睛的視網膜上，如果光的波長在380nm到760nm之間的可見光范圍，我們就能夠“看見”這個物體。而反射進我們眼睛的光，正是由一個個“光子”組成的。對于攝像機也是一樣，光照射在物體上反射進鏡頭并到達底片形成圖像。沒有光，無論是眼睛還是攝像機都不能“看見”（夜視儀也是通過捕捉人眼看不到的紅外光，而非完全沒有光）。做個形象的比喻，當我們看見一個蘋果的時候，是無數光子撞到蘋果表面并被彈飛，其中彈進我們眼睛的部分并且屬于可見光范圍的光子，刺激我們的視網膜，最終讓我們“看見”。

當我們把同樣的情況放回到電子實驗室的時候，情況會有什么不同呢？高速攝像機能夠捕捉到電子從哪個縫隙穿過，同樣是因為有光子或其他物質（比如其他可以被鏡頭感知的電磁波）“撞擊”到電子被反射進鏡頭從而被“看見”。然而與宏觀世界不同的是，電子是如此如此的小，只有10^-18次方米，光子對它的撞擊不會像撞擊蘋果一樣微不足道，而是深刻改變了電子的狀態。如果人眼本身就像高速攝像機一般具備高速錄影的能力，結果也是一樣，觀察者的觀察行為仍然會深刻地影響被觀察對象。因此，盡管我們希望“客觀”地對電子進行觀察和測量，卻只能得到一個不確定的被嚴重改變的測量結果。這個原理，就是著名的“不確定性原理”，也叫測不準原理。這就是為什么觀察這一貌似主觀的意識在量子實驗中具有決定性作用。

事實上，我們也可以在宏觀世界理解不確定性原理。當我們說一件連衣裙是藍色的，它真的是藍色嗎？在日光下的人類視覺中是藍色，但是在一間掛滿大紅燈籠的屋子里，這條裙子就是紫色的。而對于一只狗或一只貓來說這條裙子是灰色的，而一只蜻蜓會告訴你這是一條五彩斑斕的裙子。那么當我們嘗試問這條裙子真正的顏色，客觀的顏色，本質的顏色，都顯得沒有意義，因為這和觀察行為和觀察者戚戚相關。可以說，觀察者決定了裙子的顏色。

好吧，我們好像理解了“觀察”對電子的深刻影響。但是為什么這個影響會讓電子的“波”的屬性消失并導致干涉條紋的消失，而不是讓粒子屬性消失而不影響干涉條紋的呈現呢？

當我們觀察電子從哪個縫隙穿過的時候，實際上是在測量“位置”信息，而位置信息是粒子的屬性。打個比方，你可以指出一個杯子在桌子上的確切位置，但卻沒法說海浪在哪個位置——它在everywhere。因此當我們嘗試測量電子從哪個縫隙穿過的時候，就表明了測量電子的粒子性的目的，此時，波動性便消失了。

（靈魂畫師手繪圖7）

因此，在用來觀察波動性的雙縫干涉實驗里，電子展現出波動性并呈現干涉條紋。而在有攝像機觀察電子的位置信息即粒子特征的時候，電子在雙縫實驗中展現出粒子性并留下兩堆亮點。電子這種具備波粒二象性但在測量中彼此排斥只會展現一種特征的特性，在量子力學中稱為互補原理。

不確定性原理，互補原理，加上前面提到的概率，就是構成量子力學“哥本哈根詮釋”的核心理論。

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我們前面的討論理應是個科學話題，卻多次觸碰到了世界本源甚至哲學層面的議題。那接下來我們就嚴肅地談點哲學，雖然哲學其實是個特別不嚴肅的事兒。這句話好哲學...

通過薛定諤的貓的思想實驗和電子雙縫干涉實驗，我們似乎對“現實”產生了根本性的疑問。一方面，真正的“現實”竟然是個“概率”，而看到的“現實”卻是因為我們想要看它，甚至可以叫“觀察創造現實”。這樣的“現實”還算什么現實？真讓人想哭... 而這一切竟然印證了那句經典的哲學名言：“存在即是被感知”。不去感知，就沒有存在。

我們同時也推翻了“客觀”。一切所謂客觀的觀察都會影響被觀察者，這導致被觀察者究竟是怎樣的永遠是不確定的。如此看來，純粹的客觀世界壓根就不存在，一切都是你中有我我中有你的不可分割的整體。下次再有人說自己“客觀，獨立，第三方”，我們就跟他好好聊聊量子力學。

我們還重新審視了“意識”。千百年來我們對意識的理解似乎都是抽象的，和客觀實在對立。當然很多人會說，意識事實上就是活躍在大腦皮層中復雜的電信號，只是它太過復雜，我們的科技水平還難以模擬或解讀。例如現在已經可以通過在人腦中插入電極來刺激腦中的某些區域，使人哭或者笑。而在最新的腦醫學實驗中，人可以通過“意識”移動機械手臂，抓起杯子來喝水，甚至“腦控”玩飛行模擬游戲。這么看我們似乎已經掌握了意識的門道，我們基本了解了意識是如何傳遞的，可以在一定程度上模擬意識給身體發行動指令，甚至將意識的電信號輸出。

所以只要等技術如摩爾定律般爆炸，我們就拿到了通往意識世界的鑰匙。但這個樂觀態度似乎忘記了一個非常重要的事，意識在我們的大腦里究竟是怎么產生的？例如，我可以在咖啡館和你一邊聊天，講著笑話，一邊擺弄著桌子上的手機，腿隨著背景音樂打著拍子，腦子里不斷回閃著上午籃球比賽最后時刻的超級逆轉。意識為什么會用這種方式指導我們？在這個復雜場景里意識都參與了哪些呢？意識讓我們行動、思考、回憶、暢想、探究這個世界究竟是有意識的還是無意識的？回答這些問題，可比用電極刺激大腦讓我們抓起個杯子難多了。

坐在我對面的你能聽到我的笑話、看到我擺弄手機的手和抖來抖去腿，卻不知道我腦子里不斷回放的進球畫面，意識似乎并沒有辦法影響到你。而薛定諤盒子里的貓，卻在我隨便看了一眼的情況下就被決定了生死。但如果是在我專注地想著別的事對眼前“視而不見”的情況下打開盒子（我們都有可能遇到這種情況，地球救亡政府通過監控找到作為唯一目擊證人卻完全失憶的你：三天前的那個早上的街上，沉浸在剛剛拒絕你表白的女神的無限悲傷中正在回憶每一個偶遇細節的你，完全沒有看到穿著黑色皮夾克拿著AK47用Iphone給同伴打電話說 “我是Caesar，明天就開始我們消滅人類計劃”大搖大擺從你眼前經過的黑猩猩），那貓的生死，是在我的眼睛睜開的那一刻就決定了，還是等我的意識突然反應過來注意到它時才被決定呢——意識“覺醒”與否能延遲波函數（概率）的坍縮（被決定）嗎？

（靈魂畫師手繪圖8）

這就像是在電子雙縫實驗中，放在雙縫處的高速攝像機，打開鏡頭蓋但是開機和不開機兩種情況下的實驗。我們先給出真實的實驗結論：不管觀察者是人還是儀器，只要電子的位置/路徑信息沒有被捕捉到，干涉條紋就不會消失。只要位置/路徑信息泄露，干涉條紋就會消失。因此不開機的情況下，干涉條紋不會消失，我們騙不了電子。

那人眼呢？在上面“視而不見”的例子里，電子是否也陷入了兩難的判斷：“這個人因為在想別的事兒沒有看見我的行蹤所以我還是個波吧”，“不對，他其實看見了只是已經埋藏在意識深處總有一天會想起來呢得趕緊變成粒子”，“到底是波還是粒子？？我恨人類”...

對于電子兩難的處境事實上有另外的理論加以解釋。在哥本哈根詮釋中，概率/波函數在觀察的瞬間坍縮成一個的結論讓很多人不舒服，于是慢慢發展出了一個新的理論：多宇宙理論。即所有概率疊加的結果在被觀察的瞬間不是坍縮成了一個，而是產生了多個宇宙，也就是說：你進了家門看到你媽在家做了一桌子飯然后和她老人家開心吃飯聊天是一個宇宙，你進了家門發現你媽不在家只能去冰箱里找了半根香腸拿微波爐熱熱填飽肚子是另一個宇宙。而事實上你打開冰箱看到香腸和香蕉猶豫片刻選擇拿了香腸或是香蕉又分別產生了兩個宇宙。如果你家冰箱里放了好多吃的你猶豫的越多產生的宇宙也就越多。每種可能+每個意識選擇讓這個世界充斥著無窮無盡的平行宇宙...

薛定諤的這只貓的實驗背后，是量子物理對我們這個世界的巨大沖擊。在量子物理誕生近百年后，依舊讓我們感到既著迷又困惑。數百年來現代科學對事物規律的尋找，在量子物理面前變成要被推翻的守舊思維。而幾千年來圍繞意識與物質的哲學思辨，竟然在科學領域看到了討論的可能。雖然量子力學的種種實驗現象和理論仍僅限于微觀世界，但我們的宏觀世界正是由微觀粒子構成的，因此當你抬頭看月亮，它確實有一個非常非常小的概率突然不見了。或許每天早上醒來你應該慶幸，摸摸鼻子——在呢，夠一下手機——也在，踢一腳床上的貓貓——還在，拉開窗簾看看太陽——也升起來了。好幸福。

不過在另一個平行宇宙有個沒鼻子的家伙則...

End.

參考書籍：

1. 量子物理史話-曹天元

2. 斯坦福公開課-量子力學

3. 尋找薛定諤的貓：量子物理的奇異世界-John Gribbin

來源：簡書

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