薛定谔的什么猫？

有那么一只猫，它属于薛定谔，属于爱因斯坦，属于物理学史，属于每一个对量子理论怀有好奇幻想的人。 

它犀利敏捷，直指核心，曾经是物理学界初窥量子世界的一把钥匙；它简单易懂，也不摆架子，各行各业的人们都其乐融融地为之辨析争论，而今已是人们认识量子理论的一个坐标。 

本文将从这只猫的由来出发，以这只猫带来的种种困惑收尾，与读者到量子领域一游。 

薛定谔的猫，原本是薛定谔和爱因斯坦两位量子力学的先驱者，为反对（当前主流的）量子力学哥本哈根诠释而联手铸就的一把思想武器。为了介绍这把武器，要先从量子力学的建立，尤其是物质波说起。 

那年，爱因斯坦和普朗克等人论证了光具有波粒二象性。德布罗意受此启发进一步提出：组成物质的基本粒子同样具有波粒二象性；换言之，可以把物质粒子看成某种波。 

从这里开始，薛定谔的猫就已经在隐隐孕育了。 

物质粒子怎么可能是波？这在当时看来简直玄之又玄，因而学界的反应极为冷淡。直到爱因斯坦注意到德布罗意的工作，敏锐地察觉物质波的价值，人们才开始认真面对这一概念。而薛定谔（和狄拉克分别独立地）写出与实验结果吻合的波动方程，才终于一锤定音地迫使学术界接受这个“毁三观设定”：物质粒子确实有波动性。 

可以说，为发展物质波这个量子理论核心概念，爱因斯坦和薛定谔有鼎力之功。 

此后问题来了，那个曾被学术界拿来诘问德布罗意的问题，现在摆在了所有人面前——物质粒子怎么可能是波，它是个什么波？不回答这个带有玄学意味的问题，量子理论无法前进。 

多轮激烈的讨论后，波恩给出一个非常违反直觉常识，却最终被实验验证的答案：这是概率波，描述粒子被在某种状态下被“找到”的概率——当考察粒子的位置时，它就是粒子在某个位置被找到的概率。从这个回答出发，波恩、波尔和海森堡等人发展出了对物质波的哥本哈根诠释。 

薛定谔和爱因斯坦对这个回答大为不满，因为波可以叠加（不妨类比两圈水波在空间叠加），而概率波的叠加意味着，粒子可以部分处于某种状态，部分处于另一种状态。在直觉上，两种状态总是互斥的，例如在某一时刻，粒子在这里就不会在那里，自旋向上就不会向下。但由于波的叠加，粒子可以时刻处于既此又彼的状态。 

为了反对这个匪夷所思的答案，薛定谔和爱因斯坦两位大师通过多番讨论，最终由薛定谔提出了一个简单犀利的思想实验——薛定谔的猫。 

实验大体是这样的：在盖好的盒子中，有放射性粒子、毒气装置和猫；一定时间后，放射性粒子概率性发生衰变，而毒气装置能探测到这次衰变并释放毒气将猫毒死；除非打开盒盖，盒子内的情形无法被外界探测。

如果哥本哈根诠释是正确的，那么在打开盒盖进行探测前，放射性粒子处于既衰变又未衰变的叠加状态。由于粒子的衰变直接导致猫的死亡，那么猫也就同时处于既死又活的状态——不荒谬吗？ 

这把思想武器用直指本质的方式，把量子微观变成日常直观，不仅让哥本哈根学派吃下重击，更让全世界每个人都看到，原来概率波是这样一个“怪物”。   

薛定谔和爱因斯坦联手放出重击，在全世界形成讨论的余波持续至今，但胜利的却是哥本哈根诠释——实验是唯一的裁判。接受了物质波这个概念的冲击后，物理学界不得不接受一个更加深刻的观点：物质粒子有波动性，因而可以是多种状态（更严谨地说是本征态）叠加并存的。在理解了态叠加原理后，物理学终于迈向了更远的领域。 

在这个过程中，薛定谔的猫从攻击哥本哈根诠释的武器，变成了物理学家和其他所有人认识量子世界的最简洁的切入点。其既死又活的状态也不再是谬论，反而体现了量子世界的本质特性。 

从科普的角度说，薛定谔的猫通过展示自身的怪诞，向人们传达了这样的信息：量子概念很难与宏观直觉对应起来，如果用视觉常识来理解量子概念，可能产生诸多误解困惑。为了将这只名猫说清楚，笔者选取了与这只猫相关的五个常见争论点，（基于学术界主流认识）略加辨析。 

从直觉理解物质粒子的波，可能产生这样的误解：是不是粒子弥散开，连续分布在整个空间，其分布的形状像波浪一样，这样叫做物质波呢？其实在量子力学建立初期，人们就存在这样的讨论，但这个设想在理论上存在缺陷，也没有得到实验的证实。 

当前主流观点认为，物质波刻画的客体永远是一个完整的粒子，具有完整粒子的质量、电荷等属性，不是弥散分布的，这是颗粒性；只不过其传播方式不能用经典轨道来描述，反而体现出波的某些特征，这是波动性。两方面合起来就是物质波的“波粒二象性”。 

很多人存在这样的困惑：打开盒子前的瞬间，放射性粒子是否衰变，换言之猫的死活其实已经有了客观结果，而打开盒子只是记录下这个结果而已，所以是否应该说猫“或死或活”更准确呢？ 

这个认识非常符合直观常识，但存在一个关键的问题，那就是如果放射性粒是否衰变已经形成客观结果，就不能用这个结果来刻画物质波，因为这个结果只能数值相加，不再具有波的相干叠加性。 

更简单地说，上面的认识中只有“概率”，没有“波”，自然是偏颇的。只有接受了“被探测前粒子处于各种可能的叠加”这个设定，才能超越“概率”，完整地理解“概率的波”。 

如果读者有兴趣阅读量子力学教材中关于波函数的论述，对这个问题会形成更清晰的认识。 

如果只有打开盒子才能真正确定猫的死活，那么猫的死活是人唯心决定的吗？ 

对量子体系的观测当然不是唯心的。 最简单的例子是电子双缝干涉实验，不论人眼是否观察，接收屏上都有干涉条纹，因而量子观测并不唯心。

回到这只猫，如果用定时器将盒子自动打开，再用生命检测仪器把结果显示出来，那么不论人是否观看这个结果，猫都解除了“既死又活”的状态，坍缩到死或活的确定结局。 

上面说到生命探测仪，那么是否可以用这类仪器观测盒子的震动、红外特性、二氧化碳排放等方式，随时监测猫的死活呢？这样一来猫的死活就是随时确定的，不再是既死又活的怪猫。 

上述探测在现实技术上可行，但在这个实验中却不被允许。请注意，在这个思想实验中，“盒子”有着超然的地位。 

“除非打开，否则盒子内部不可探测”这个条件，排除了上面对盒子的所有间接探测。正是这个苛刻的条件，保障其内部粒子可以被刻画为概率波，进而让猫的死与生具有叠加的特性。 

通过上一个问题的答案，我们可以认识到这个思想实验的核心并不是猫，而在于盒子；猫可以替换为任何生物或者状态参数，而对盒子的规定不能更改。换言之，薛定谔猫的本体其实是盒子。 

正因为间接探测盒子是完全可行的，才说明这个盒子并不属于宏观世界：人们永远造不出一个“无法”被探测内部的盒子，它只能是思想虚构的产物。其被虚构出来就带有宏观世界所不具有东西，那是量子世界的本质特性：其内部保障了概率波的叠加。 

换言之，薛定谔的猫本质上是以宏观现实中并不存在的量子黑盒为媒介，将量子世界的基本状态——波的叠加——在直观上展示出来。 

至此，我们追踪这只猫的足迹，一路看过量子力学史的若干节点，在世人对量子概念的几个争论点走走停停，仅浮光掠影地游览了量子世界；离去此猫，面对亲友相问，读者朋友或许只留一句：景区没啥，无非波的叠加。 

但那只猫知道，量子理论的历史远远没有写到终点。当人们对量子世界的下一个认识大突破来临，这深邃黑盒中无形无状的猫，又将如何与人对视呢？ 

【本文作者：于赫夫，理论物理学博士，长春工程学院讲师。原创内容，未经授权，不得转载。】