薛定谔的猫

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薛定谔的猫

開盒的一刻世界分裂說

量子力學

$\Delta x\, \Delta p \ge \frac{\hbar}{2}$

不確定性原理

入門、數學表述        背景 古典力學、舊量子論、干涉 哈密頓量、狄拉克符號 基本概念 量子態、波函數、態向量 態疊加原理、波粒二象性 埃倫費斯特定理、量子纏結 包立不相容原理、量子脫散 量子穿隧效應、量子測量 實驗 薛丁格的貓、雙縫實驗 戴維森-革末實驗 施特恩-格拉赫實驗 貝爾定理的實驗驗證 波普爾實驗、量子擦除器 構想 薛丁格繪景、海森堡繪景 交互作用繪景、矩陣力學 求和的歷史 方程式 薛丁格方程式、包立方程式 克萊因-戈登方程式 狄拉克方程式 詮釋 哥本哈根詮釋、系綜詮釋 隱變數、交易詮釋 多世界詮釋、一致性歷史 德布罗意-玻姆理论 量子邏輯 進階理論 量子場論、量子重力 萬有理論 科學家 普朗克、玻尔、埃倫費斯特 海森堡、薛丁格、德布羅意 玻恩、愛因斯坦、艾弗雷特 索末菲、馮·诺伊曼、費曼 狄拉克、維恩、玻姆、其他

薛定谔的猫（英语：Erwin Schrodinger's Cat）是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔试图证明量子力学在宏观条件下的不完备性而提出的一个思想实验。实验内容如下：

“

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包含一个放射性原子核和一个装有有毒气体的容器的实验装置。设想这个放射性原子核在一个小时内有50％的可能性发生衰变。如果发生衰变，它将会发射出一个粒子，而发射出的这个粒子将会触发这个实验装置，打开装有毒气的容器，从而杀死这只猫。根据量子力学，未进行观察时，这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态，但是，如果在一个小时后把盒子打开，实验者只能看到“衰变的原子核和死猫”或者“未衰变的原子核和活猫”两种情况。 现在的问题是：这个系统从什么时候开始不再处于两种不同状态的叠加态而成为其中的一种？在打开盒子观察以前，这只猫是死了还是活着抑或半死半活？这个实验的原意是想说明，如果不能对波函数塌缩以及对这只猫所处的状态给出一个合理解释的话，量子力学本身是不完备的。

”

这个思想实验的意义是，将量子理论从微观领域带到了宏观领域，而导出和一般常识相冲突的结果。根据哥本哈根学派的解释，当观察者未打开盒子之前，猫处于一种“又死又活”的状态，该状态可以用一个波函数来描述，而波函数可由薛定谔方程解出。一旦观察者打开盒子观察，波函数会坍塌，猫呈现在观察者面前的只会是“生”或“死”的状态之一。这导致了对世界客观性和人意识的作用的讨论。

根据多世界理论，当观察者打开盒子的一刻，世界会分裂成多个世界，而观察者只能进入众多的世界其中的一个，而观察结果就因此只有一个，猫是“生”或“死”。而在其他世界里猫的状态会由薛定谔方程决定。其生存的概率越大，猫幸存下来而处于其中的世界的数目就越多。

薛定谔的猫可被视为一个佯谬，由“不确定”的衰变－检测器－毒药－猫的生死构成一条因果链，将量子的不确定与宏观物质（猫的生死）的不确定性联系起来，而根据日常经验，无论我们是否观察，猫的状态必为生或死中之一。

对本实验的诠释

自薛定谔的时代开始，人们提出了很多其它的对薛定谔的猫问题的量子力学诠释，它们对叠加态存在的时长和波函数什么时候（或是否）坍缩给出了不同的答案。

哥本哈根诠释

量子力学诠释中最被普遍支持的是哥本哈根诠释。按照哥本哈根诠释，当观察发生时，系统不再处于叠加态而成为两者之一的一种状态。这个实验清楚地表明了这个诠释中测量，或观察的概念是不清晰的。这个实验可以被解释为，当盒子关闭的时候，系统同时存在于“衰变的原子/死猫”和“未衰变的原子/活猫”的叠加态，只有当盒子被打开，实施观察时，波函数坍缩为两者的一种状态。

然而，一位与哥本哈根诠释有密切联系的主要的科学家，尼尔斯•玻尔，从来都不认同观察引起的波函数坍缩，所以薛定谔的猫对他来说并不是什么迷。猫在盒子被一个有意识的观察者打开之前早就是活的或死的了。对真实实验的分析显示，测量本身（如用一个盖格计数器）就已经能够在一个有意识的观察者对测量结果进行观察之前，使量子波函数坍缩。“观察”在原子放射出的粒子击中探测器时就已经发生的看法可以被发展成为客观坍缩理论。相反，多世界理论否认坍缩出现过。

多世界理论和一致性历史

1957年，休·艾弗雷特提出了量子力学的多世界诠释，它不把观察作为一个特殊的过程。按照多世界诠释，当盒子被打开后，猫的活和死的状态都延续了下来，但互相发生了退相干。换句话说，当盒子被打开的时候，观察者和猫分裂成了一个观察者看着盒子里的一只死猫，和一个观察者看着盒子里的一只活猫。但是自从死和活的状态退相干发生以后，它们之间就不再具有有效的信息交流或相互作用。

当观察者打开盒子，观察者就和猫发生了纠缠，所以“观察者状态”与猫的死活的对应关系就形成了；每个观察者状态与猫发生了纠缠或缠结，所以“对猫状态的观察”和“猫的状态”相互对应。量子退相干保证了不同的结果之间没有相互作用。同样机制的量子退相干对一致性历史角度的诠释也很重要。在这个诠释中，只有“死猫”或“活猫”可以作为一致性历史的一部分。

罗杰·彭罗斯对此的批评：

"我想让大家清楚，这远远不是解决猫佯谬的办法。因为量子力学的形式主义中没有什么东西要求一个意识状态不能牵涉同时的对活猫和死猫的感知。"

虽然主流的观点（并非一定赞同多世界）认为退相干是避免这样同时的感知的机制。

宇宙学家马克思·特格马克提出了一个薛定谔的猫实验的变体，量子自杀机。它从那只猫的角度考察了薛定谔的猫的实验，并提出用这种方式，一个人也许能够辨别哥本哈根诠释与多世界。

系综诠释

系综诠释指出叠加态仅仅是一个更大的统计系综的一部分。态矢量并不适用于单个的猫实验，而仅仅适用于被类似准备的许多猫实验的统计。这种诠释的支持者说这使得薛定谔的猫佯谬成为了一个没有意义的，不是问题的东西。

这种诠释有利于人们抛弃量子力学中单个物理系统总有一个与之对应的数学描述的观点。

相关诠释

相关诠释没有对人类实验者、猫或仪器，或者生命系统与非生命系统之间做本质之上的区分；都是遵循相同的波函数演化定律的量子系统，都可以被认为是“观察者”。但相关诠释允许不同的观察者可以对相同的系列事件给出不同的描述，这些描述取决于它们所拥有的关于这个系统的信息。猫可以被认为是仪器的一个观察者；同时，实验者可以被认为是盒内系统（猫加仪器）的另一个观察者。在盒子被打开之前，猫，因其天然地有生或死，拥有了对仪器状态（原子是否衰变）的信息；但实验者并没有关于盒内之物的信息。这样，两个观察者同时对当前的情形有了不同的描述：对猫来说，仪器的波函数表现为“坍缩”；对实验者来说，盒内之物表现为叠加态。直到盒子被打开，两个观察者拥有了对于发生了什么的相同的信息，两个系统状态才表现为“坍缩”成同样确切的结果，一只猫是活的或是死的。

客观坍缩理论

根据客观坍缩理论，叠加态在某些客观的物理阈值（时间、质量、温度、不可逆性等）达到的时候会自发地被破坏。因此，猫会在盒子被打开以前早就处在一个确切的状态。这可以被不严谨地说成“猫观察它自己”或“环境观察猫”。

客观坍缩理论要求对标准量子力学做一些修改以允许叠加态的破坏在时间演化过程中被允许。

参见

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