薛定谔的猫(为什么薛定谔的猫至今未解？)

导致意识的波函数坍缩？什么是退相干历史？

李原创2021-06-08 10: 03论科学。1935年5月，爱因斯坦发表EPR论文时，薛定谔高兴得不得了，他的大哥又开始攻击量子力学，他自己也不得不效仿。11月发表文章《量子力学的现状》。

“什么，什么”的现状，这种讽刺又略带忧虑的措辞，足以说明薛定谔有多讨厌哥本哈根解释。你说波函数代表概率，这就引出了态叠加，波函数坍缩等等一些不可理解的概念。

现在我把这些概念引入宏观世界，你可以看到它们有多不合理，你是如何解释的。所以，在文章中，薛定谔描述了一只不死不活的猫。

如果说爱因斯坦的EPR佯谬当时抓住了哥本哈根的辫子，薛定谔的猫直接戳中了哥本哈根的脊梁骨。

因为直到现在，薛定谔的这个量子恶魔依然无解。

薛定谔说:按照哥本哈根的解释，世界的本质是概率解释。在观测之前，一个系统会处于可能态的叠加态。只有在我们观察之后，这些系统的波函数才会坍缩到某些本征态。

好，我现在就拿一个放射性原子来说。这个原子衰变什么时候符合概率解释？它可能随时衰变，释放出一个中子。但是当我们不观察这个原子的时候，它是否衰变，我们就不知道了。我们只能说这个原子处于衰变和不衰变的叠加态。

现在我把这个原子放在一个盒子里。盒子里还有一个盖革计数器。盖革计数器可以检测原子是否衰变。这个盖革计数器与一个机械联动装置相连，可以控制一个锤子落下。在锤子下面放一个毒气瓶。最后，我把一只猫扔进箱子里，门被盖上了。完成工作！

当我关上箱子门的时候，那个破坏三观的东西出现了。我不知道原子是否衰变了。我只能说是在衰和不衰的叠加状态。然后盖革计数器处于探测与不探测的叠加状态，机械连杆处于动与不动的叠加状态，锤子处于落与不落的叠加状态，毒气瓶处于破与不破的叠加状态，这样一只真正活着的生物猫处于死与活的叠加状态。

我们以前认为原子现象处于不确定的叠加态，这是我们勉强可以接受的。毕竟原子级那么小的东西我们是看不见的，感觉离我们很远，不会影响我们的生活。

但是薛定谔把这种叠加态引入了现实世界，用在了一只猫身上。我们肯定会认为一只猫不是死就是活，不可能处于死和活的叠加状态。

还有，我们之前说过，任何事物都具有波粒二象性的属性，也就是物质波。我们知道一个宏观物体的物质波很小，因为它的质量很大，波动性可以忽略不计，所以现实世界表现出确定性的本质，不存在明显的概率问题和不确定关系。

以月球为例，它的物质波很小，具体可以用λ = h/p来计算，可以认为是一个无穷小的量，所以我们在不观测月球的时候，就认为月球处于某个位置。

但是，如果认真的话，我们也可以认为月亮的位置满足概率解释。当我们不观测它的时候，它的位置满足自身波函数ψ的描述，处于不确定的位置，我们都可以接受。毕竟月亮的波动很小，不会影响我们对月亮的看法。

但猫是一种生物，它的死和生是有明确定义的。死是死，生是生。无论如何，我们不能接受一只既死又活的猫。

例如，猫会说话。当我们打开盒子时，猫的波函数坍缩了。当我们看着它的时候，猫很幸运地活着。猫会说它刚才处于一种既死又活的状态吗？猫会说自己只是变成了一缕机缘波吗？当你打开盒子观察的时候，我突然从虚幻的概率波崩塌成活生生的本征态？

然后有人会说，你假设猫会说话，但是猫本身不会说话，它也无法描述刚刚经历的事情。所以你的假设有问题。也许真的处于半死不活的叠加状态。

好了，再说一个极端的例子，把猫换成人，做实验！会发生什么？

人总是可以说话的，对吧？人们总是可以描述他们在门被关上后经历了什么。如果你打开盒子，看到里面的人是活的，他能把自己描述成刚才的一缕机缘波吗？

显然不是。人们会一直以为自己活着。

假设没有问题。这个实验不能做。如果能做到，结果肯定是这样的。他什么都不能说，除非他死了。

那么哥本哈根如何解释这个实验呢？

按照哥本哈根一贯的口吻，他肯定会认为外人观察不到盒子的状态。在外人看来，盒子里的一切都是叠加状态，就像猫和人一样。

所以，哥本哈根的解释就是这么霸道无理。不管你接受不接受，都一样。这显然是一个悖论。所以根据薛定谔的猫，衍生出了很多非哥本哈根的解释。最可怕的是人们把意识引入科学。

也就是我们常说的意识问题，或者观察者问题。

看，虽然我们不能确定猫经历了什么，但是我们可以确定人在这个过程中经历了什么，他不会处于叠加状态！

因为当一个人从盒子里出来的时候，他可以肯定的告诉你，他刚才还活着。

让我们升级这个实验。戴着防毒面具的人和猫呆在盒子里。盒子外面的人在不观察的时候也会认为盒子里面的一切都处于叠加状态。但是当戴防毒面具的人从箱子里出来的时候，他会告诉你这只猫到底经历了什么，他的生存状态，他的死亡状态，他是什么时候死的等等。叠加态是不存在的。

这是什么意思？只要有人在场，盒子里的一切都是确定的。在哥本哈根的解释中，没有观察者的定义。也就是说，人和猫，甚至是测量仪器，没有本质区别。

但是实验到这里，难免会让我们觉得人和猫是有区别的，还有测量仪器。只要有人在场，就不会有叠加态，即只要有人在场，波函数就会坍缩。

那么我们要问了，人和猫的区别在哪里，还有测量仪器？

相信你已经猜到了，意识！人是有意识的，但其他测量者都没有。这无形中把意识这个难题引入了科学，这是一件非常可怕的事情，因为意识是无法用数学定量描述的。

所以，现在有一种说法，意识导致波函数的坍缩。其他观测者不行，猫不行，测量仪器也不行，所以猫处于叠加态，而人不行。即使盖革计数器一开始就测量原子的衰变，但盖革计数器并没有使整个系统的波函数坍缩，相反，它也进入了叠加态。这背后的原因是他们是无意识的，只要有人参与某个环节。

随着这里物理学的发展，变得越来越神奇，越来越不可理喻，仿佛有了一种玄学的感觉。这是根本哈根的解释，在薛定谔的猫这里遇到的意识问题，或者说无法定义观察者的问题。

这里需要强调的是，意识，这个魔鬼，是从这里来的。不是所谓的双缝干涉实验，延迟选择实验。在这些实验中，哥本哈根解释得到了很好的解释，没有任何困难。

我来说说我个人的观点。我可以认为哥本哈根的解释是完整的吗？愚见是不能。因为当意识这个怪物进来的时候，就意味着哥本哈根诠释没有那么完美。

更何况我们在讲波函数坍缩的时候，也遇到了无穷大的问题，所以我认为量子力学对物理实在的解释并不完整。

我们接着说，薛定谔的猫，除了有意识的魔鬼，还有一些其他的解释。比如我们经常听到的平行世界解释。

这个解释是看到了意识的问题和波函数坍缩的问题，所以刻意回避了这两个问题。说，波函数没有坍缩，也不会坍缩，在我们打开盒子的那一刻，波函数中所有可能的本征态将分裂成多个现实共存。

也就是说，存在平行宇宙。在一个宇宙中，猫是死的，而在另一个宇宙中，猫是活的。这两个宇宙的一切都是一样的，除了猫是死的，是活的。

这就是平行宇宙的起源。我们可以把这个解释当做科幻小说。如果是这样的话，我们观察一次微观世界，就会列出大量的宇宙。那么现在就有无限多的平行宇宙。你看，还有一个无穷的问题。物理学最讨厌的就是无穷大。

科幻作家不敢这么想。他们把人当回事，第一眼就把宇宙劈开了。难以置信。

最后还有一种解释，叫做量子退相干史。退相干也可以理解为切断联系，不再相干，不再干涉，不再纠缠！

也就是说，我们在处理微观世界的量子物体时，对其历史的描述是非常准确的。因为精确的历史会产生连贯性，也就是相互干扰，导致微观世界的不确定性。

比如一个电子是通过左狭缝还是右狭缝，这是两个非常精细的电子历史，所以这两个东西会交织在一起，互相干扰，导致同时通过左狭缝和右狭缝的电子叠加。

我觉得在这里写一个公式可以帮助你理解。比如电子通过双缝，它的波函数是这样的，ψψ = (C ψ+C ψ)

在未来，它将是:︱·c·︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱6

后一堆东西(C * C ψ * ψ+CC * ψ ψ *)统称为干扰项。正是因为干涉项的存在，电子通过左狭缝和通过右狭缝这两个历史事件才产生了纠缠。因此导致了量子世界的叠加态，这也是量子力学与经典世界区别的关键。

如果后一个干涉项变成0，那么在量子世界中就不会有所谓的叠加态，电子通过左峰和右缝的两个历史将是不相关的和纠缠的，它们的概率比将简单地变成C/C，这就是经典的概率，而且是非此即彼，不是通过左缝和右缝的叠加态。

这是单个电子通过双缝的情况，但是如果很多粒子通过双缝呢？比如子弹，我们知道，也是由大量的原子组成的。子弹打在双缝上，是经典概率。它不是左就是右，所以当我们处理大量的量子物体时，它的不确定性和叠加态就消失了。这是为什么呢？

因为当我们处理大量的量子物体时，如果能把每个量子物体的波函数写出来，让它们叠加在一起，它们整体波函数后面的干涉项就会互相抵消，变成0，也就是说子弹波函数后面的干涉项就会变成0，所以就表现出经典概率，要么左，要么右。

用退相干理论的话说，当我们描述大量的量子物体时，我们不是在描述每个量子物体的确切历史，而是粗略地描述它们的整体历史行为。这样，大量量子物体的历史将被解相干，即没有干涉项，它们将不再纠缠，从而大量粒子集的量子态将跃迁到经典态。

薛定谔的猫呢？猫是由大量的原子组成的，所以猫的波函数会自发地跳到经典态，不仅仅是猫。当盖革计数器测量原子衰变时，整个系统早已跳到经典态，不存在叠加态。

就不会有死猫了！对历史的解释完全回避了意识的问题和定义观察者的问题。不需要平行宇宙，这可以说是目前为止对薛定谔猫最好的解释。

看到这里，我们的量子历史故事就要结束了。下一次，我们将讨论量子力学中真正值得我们考虑的问题。