物理学“四大神兽”之薛定谔的猫，要怎样理解？

2025-02-28 13:31:46

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在自然界，像铀那样的大原子核，很不稳定，会衰变成另一个较小的原子核，并放射出α、β、r粒子或中微子。

原子核的衰变具有不确定性。在一定单位时间内，只能计算原子核发生衰变的振幅，预言单位时间内发生衰变的概率。例如，在一大块铀矿中，存在着大量的铀原子核发生衰变，我们就会观测到一个稳定的射线强度；但是，如果只有几个铀原子核，就不能确切地知道什么时候会发生一次铀原子核衰变了。

原子核裂变示意图

一个可能发生衰变的原子核，它可以处于未衰变和已衰变两种状态的叠加态。随着时间延长，或者说经过足够长的时间，它必然会发生衰变，量子叠加态随之消失。

谈到不确定性和量子叠加态，薛定谔同爱因斯坦一样持反对态度。科学的目的，就是要发现事物的运行规律，准确地把握事物的发展趋势。量子力学却搞出了一个“不确定性原理”，意味着科学家像牌桌上的赌徒，只能依靠掷骰子猜数字混日子了。受到原子核衰变的启发，薛定谔设计了一套假想实验来嘲笑哥本哈根解释。

这个假想实验设计如下:

在一个箱子里，放入少许放射性元素，一个盖格计数器，一台接收计数器信号的机器，一个装满毒气的玻璃瓶，一把锤子，一只可爱的猫咪。箱子关上后，处于密闭状态。如果放射性元素发生衰变，盖格计数器就会发出一个电信号，信号接收机接收到信号就会触发链接锤子的机关，锤子便下落砸碎毒气瓶子，随即毒死那只可爱的猫咪。

如果不打开箱子，我们就不能观察到放射性元素的具体状态，自然也就不知道猫咪的生死情况了。

非观测状态的放射性元素，处于未衰变和已衰变的叠加态；那只可怜的猫咪，随之也处于既生又死的叠加态。

薛定谔的“猫实验”，本意是想用猫不可能处于“既死又活”的状态来否定哥本哈根解释。谁知道这只可怜的猫咪，却成了量子力学的绝佳形象代言人。薛定谔的猫，成了物理学的四大神兽之一，赫赫有名，威震八方。

这个假想实验，在逻辑上没有什么破绽，几乎无法反驳。

说一个微观粒子的状态处于叠加态，虽然不好理解，但基本可以接受。可是，一只猫咪，作为宏观物体，它竟然可以处于既死又活的叠加态，就难以接受了。

有人提出，在箱子里面安装一个摄像头，记录箱子里面放射性元素衰变对猫咪的影响。问题是摄像机一旦开启，观测事件就会导致原子核的波函数坍缩。

至于观测如何导致原子核的波函数坍缩，哥本哈根学派没有解释清楚，直到现在也没有人能够解释清楚。波函数坍缩涉及太深的哲学问题，理解起来非常困难。

下面我谈一点个人的理解，希望对大家有所启发。

量子力学定义的观测，是指一个量子系统作用于另外一个量子系统。即使说，观测者可以是人，也可以不是人。放射性元素的原子核，在非观测状态下，处于未衰变与已衰变的叠加态；一旦发生观测事件，叠加态就会坍缩为已衰变或未衰变的确定状态。在箱子里面，猫咪可以作为观测者，空气分子可以作为观测者，计数器、玻璃瓶等也可以作为观察者，甚至箱子材料释放的电磁波也可以作为观察者。

人的观测，需要操作仪器，仪器又通过操作光子、电子或者其它微观粒子，作用于想要观测的量子系统。其间并不涉及到意识活动。人的意识无法直接作用于微观粒子。意识作为一种抽象的东西，如果可以直接作用于微观粒子，必然会破坏能量守恒定律。这个问题我在《麦克斯韦妖》里面详细论述过，感兴趣的朋友可以看一下。

其实，在计数器发出电信号的那一瞬间，放射性元素的波函数就已经坍缩了。这时候，接收信号的机器触发链接锤子的机关，砸碎毒气瓶，猫咪必死无疑。猫死不能复生，它已处于死亡的确定状态。

这里穿插一个笑话：

有一个贪财鬼，被一个富翁揍了一顿，赔得了一些钱。贪财鬼想要更多的钱，要求富翁再揍他一顿。富翁说:我把你打死，然后将我所有的钱财都给你，如何？贪财鬼想了一下回道:那你将我打个半死吧！我只想要你一半的财产。富翁冷笑道:想得倒美，半死也是一个活人，别跟我玩文字游戏！

猫作为一个宏观物体，它的生死状态无法同时共存，要么死，要么生，没有中间状态。千万不要像那位贪财鬼，跟我谈什么半死不活的猫，半死不活也是活，不是死与活的叠加态。

在科学和哲学的交汇处，量子力学还不够完善，但并不妨碍它在原子物理、材料科学、半导体等领域取得的巨大成就。你能够通过手机阅读到这篇文章，也是量子科技的功劳。

回答3：

破解物理学四大神兽之薛定谔的猫悖论