導讀：在20世紀30年代中期，新興量子理論的某些奇怪之處變得明顯起來，薛定諤進行了一個思想實驗，即“薛定諤的貓”。他試圖表明，量子理論數(shù)學一定是缺了些什么。他認為“貓不能處于一種生死疊加的狀態(tài)”是一個基本事實，因此量子理論數(shù)學肯定是忽略了某些因素。

關于量子理論最有爭議的命題出現(xiàn)在對量子理論的詮釋方面。詮釋命題更多的是哲學性命題，很大程度上與“在事實和數(shù)學背后是怎樣的現(xiàn)實”的問題有關。探討這個詮釋命題，讓我們從一些背景材料開始。

作者：理查德·德威特（Richard DeWitt）

譯者：孫天

本文摘編自《世界觀：現(xiàn)代人必須要懂的科學哲學和科學史》，如需轉(zhuǎn)載請聯(lián)系我們

01 背景討論：你思考越多，就越會困惑

假設我們有一個實驗設置。假設有一個光子槍可以發(fā)射出單個的光子，我們向分束器，也就是一塊部分鍍了銀膜的鏡子，發(fā)射光子。我們將在分束器后面放置兩個光子探測器，為了便于討論，讓我們假設光子探測器只要探測到一個光子就會發(fā)出“嗶”的聲音。這個實驗設置如圖25-15所示。

▲圖25-15 分束器實驗設置

假設我們有一個按鈕，每次按下按鈕，就會向分束器發(fā)射一個光子。關于這個情境的量子事實，不存在任何疑問，也就是每次我們按下按鈕，探測器A和探測器B中的一個就會探測到光子，但兩個探測器永遠不會同時探測到光子。

除此之外，如果我們在一段時間內(nèi)持續(xù)發(fā)射并探測光子，那么發(fā)射出的光子，在其中50%的時間內(nèi)將會被探測器A探測到，在另外50%的時間內(nèi)則會被探測器B探測到。

換句話說，其間50%的時間內(nèi)是探測器A發(fā)出“嗶”聲，另外50%的時間內(nèi)是探測器B發(fā)出“嗶”聲，但是兩個探測器絕對不會同時發(fā)出“嗶”聲。

同樣地，關于量子理論數(shù)學做出的預言，也不存在疑問。量子理論數(shù)學的預言是，每次按下按鈕，探測器A和探測器B各有50%的概率探測到光子。簡言之，預言與事實是一致的。

這再次說明了，關于事實和數(shù)學本身都不存在疑問。然而，接下來請思考一下某些與詮釋相關的命題。

如果我們試圖用直接明確的方式對量子理論數(shù)學進行詮釋，會得到怎樣的結(jié)果？再思考一下圖25-15所示的實驗設置。假設我們按了一下按鈕，發(fā)射了一粒光子，相應的量子理論數(shù)學會如何表達呢？

按下按鈕后，整個系統(tǒng)的狀態(tài)由一個波函數(shù)來代表。這個狀態(tài)會根據(jù)薛定諤方程式隨時間發(fā)生變化。薛定諤方程式將為我們提供在任意時間點上對這個系統(tǒng)狀態(tài)的表達。因此，假設我們研究的是在其中任意一個探測器探測到光子之前的系統(tǒng)狀態(tài)。

就在任意一個探測器探測到光子之前，數(shù)學代表的是在態(tài)“疊加”狀態(tài)下的電子，在疊加的態(tài)中，有一個態(tài)代表的是電子作為一列波向探測器A運動，另一個態(tài)代表的則是光子作為一列波向探測器B運動。

然而，回憶一下，兩個探測器絕不會同時發(fā)出“嗶”聲。事實上，同一時刻，只有其中一個探測器（要么是A，要么是B）會發(fā)出“嗶”聲。假設在這個例子中，探測器A響了，說明它探測到了一粒光子。這本身并不是特別令人困惑，畢竟，在疊加的兩個態(tài)中，其中一個似乎代表的就是有一列波向探測器A運動。

但是，探測器B呢？回憶一下，在疊加的兩個態(tài)中，有一個代表的是一列波向探測器B運動，所以這個態(tài)發(fā)生了什么？為什么探測器B沒有同樣發(fā)出“嗶“聲？至少，如果我們試圖用盡可能直接明確的方式來詮釋相關的數(shù)學，那么那條波似乎是向探測器B運動的，現(xiàn)在這條波發(fā)生了什么？

這個例子說明了通常所說的測量問題的某些方面。測量問題是與量子理論詮釋有關的最令人費解的命題之一。接下來我將試圖概述一下測量問題所涉及的某些命題和問題。不過，我會鼓勵你始終留意圍繞在測量周圍的有趣命題和問題。

作為熱身，我想討論兩點。

第一，測量問題通常一開始看起來并沒有多大問題。換句話說，要體會到測量問題，可以說通常是需要花些時間的。然而，你對測量問題的思考越多，就越會發(fā)現(xiàn)它們很讓人困惑。

第二，測量問題可以用很多在某些方面多少有些不同的方法來看待。從某種意義上說，這些不同的方法是同一個問題的不同面貌，但是每個方法所強調(diào)的都是這些令人困惑的命題的不同方面。

一般來說，與測量問題有關的一個事實是，如果我們試圖用一個相對直接明確的方法來詮釋量子理論數(shù)學，那么當對量子系統(tǒng)進行測量時，就會出現(xiàn)某些似乎非常奇怪、非常反直覺的情況。

量子理論數(shù)學通常表達的是處于態(tài)疊加狀態(tài)的系統(tǒng)。比如，在上面的例子中，當我們進行測量時，會觀察到探測器A和探測器B中有一個發(fā)出了“嗶”聲。

不管是哪個探測器發(fā)出了聲音，都會帶來一個問題，那就是另一個態(tài)發(fā)生了什么？測量使疊加的兩個態(tài)“坍縮”或“減少”（這是常用的兩個術語）成一個單一狀態(tài)了嗎？如果是這樣，一個測量的動作如何能有這樣的效果？就此而言，測量設備是什么？測量設備和非測量設備有怎樣的區(qū)別？

畢竟，在我們認為算是測量的情形中所發(fā)生的物理作用，與在我們不認為算是測量的情形中所發(fā)生的物理作用相比，似乎并沒有什么根本上的不同。那么，如何可以在測量設備和非測量設備之間，以及測量和非測量之間找到原則性差異？

對這些問題，并不存在已得到一致認可的答案。重申一下，當進行測量時，似乎會發(fā)生某些奇怪的情況，對如何詮釋所發(fā)生的情況，仍存在爭議。如果首先介紹一下薛定諤的貓思想實驗，將會更易于討論。

根據(jù)到目前為止我們已進行的討論，你可能會忍不住認為量子的奇怪特性只會存在于微觀實體里，比如光子、電子和類似的實體，而不會存在于你、我和我們的房子、汽車等所存在的宏觀世界里。

為了表明情況并不是那么簡單，讓我們思考一下薛定諤的貓，這是一只非常著名的小動物，在大多數(shù)有關量子理論的討論中都能找到這只小動物。

與前面提到的在態(tài)疊加狀態(tài)下的實驗相比，薛定諤的貓并沒有帶來特別多的新問題，但是這只貓確實凸顯了這個狀態(tài)的古怪之處，同時表明這些古怪之處并不一定僅限于微觀層面。薛定諤的貓還有助于說明我們將在后面討論的詮釋的某些特點。

02 薛定諤的貓：既是死的，又是活的？

在20世紀30年代中期，新興量子理論的某些奇怪之處變得明顯起來，薛定諤進行了一個思想實驗，進一步做了說明。順帶解釋一下，思想實驗，如其名字所表達的，是一個要求我們?nèi)踢M行思考的實驗，而不需要我們進行實際操作。

薛定諤讓我們想象，在一個密封的盒子里有一只貓，同時還有一個微弱的放射源。

具體來說，這個放射源在一小時內(nèi)，釋放出一粒放射性粒子的概率是50%。如果放射源釋放了一粒放射性粒子，這個粒子將會觸發(fā)一個探測器，而這個探測器在觸發(fā)之后會打開一小瓶毒藥，這種毒藥可以毒死盒子里的貓。

順帶解釋一下，提到量子實體比如光子、電子、放射性粒子等時，通常都用“粒子”這個詞來指代。然而，通過之前的討論，我們應當已經(jīng)清楚，在提到量子實體時，不管用“粒子”還是“波”都不是完全正確的。

我將繼續(xù)用“粒子”這個詞，因為這是標準的做法，但是這并不能詮釋為我對 “量子實體是否其實是粒子而不是波”這一問題的回答。

當然，薛定諤的用意肯定不是要虐待貓，重申一下，這是一個思想實驗，而不是一個想要實際實施的實驗（如果你思考一下這個實驗，就會發(fā)現(xiàn)它也不會產(chǎn)生任何有趣的數(shù)據(jù)）。

實際上，薛定諤的目的是把微觀層面的古怪之處與宏觀層面的事件聯(lián)系起來。同時，薛定諤也試圖提出一個論據(jù)來反駁對量子理論的一種特定詮釋，接下來我們將對此進行討論。

要更好地理解薛定諤的貓思想實驗，可以思考一下與之稍有不同的一個實驗，其中，實驗設置進行了一些修改，如圖25-15所示。這個實驗設置所帶來的結(jié)果與薛定諤最初論文中的實驗相同，但是使用這個修改后的實驗設置將會簡化我們的討論。

想象我們把圖25-15所示的實驗設置放入一個不透明的大盒子。與此同時，我們還將把一只貓放進盒子里。我們會同時把光子探測器A與一小瓶毒藥連接好，但并不連接探測器B，就像薛定諤最初的思想實驗里一樣。

也就是說，如果探測器A探測到一粒光子，就會打開毒藥瓶，其中毒藥會使貓中毒致死。另一方面，如果探測器B探測到了一粒光子，那么什么都不會發(fā)生。整個實驗設置就會如圖25-16所示。

▲圖25-16 薛定諤的貓

假設整個實驗設置，包括貓和其他一切，都處在一個密封的盒子里，因此我們無法看到盒子里面發(fā)生了什么，不能確定兩個探測器中的一個是否探測到了光子，也不能聽到盒子里的任何聲音。然而，我們把控制光子槍向外釋放光子的按鈕留在了盒子外面。

現(xiàn)在，基于這個實驗設置，假設我們按了一下按鈕并在幾秒鐘之后開始思考整個情形，這樣可以使光子有足夠的時間到達探測器所在位置。

回憶一下，狀態(tài)隨時間的演變遵循薛定諤方程式，而薛定諤方程式代表的是疊加的態(tài)。在這個情境中，涉及的兩個狀態(tài)之一是探測器A探測到光子，另一個狀態(tài)是探測器B探測到光子。

但是，同時請回想一下，如果探測器A探測到光子，那么毒藥瓶里的毒藥將會釋放出來，結(jié)果是貓被毒死。另一方面，如果是探測器B探測到了光子，那么貓就會安然無恙。所以，現(xiàn)在態(tài)疊加似乎涉及這樣兩個狀態(tài)：一個是貓死了，另一個是貓安然無恙。

換句話說，如果我們想知道盒子里面到底發(fā)生了什么，量子理論似乎表達的是貓?zhí)幱谒镭埡突钬垉蓚€態(tài)相疊加的狀態(tài)。

同樣地，與前面圖25-15中所討論的光子態(tài)疊加相比，這并沒有原則性差異。然而，薛定諤卻以此將微觀層面的古怪之處轉(zhuǎn)移到了宏觀層面。

值得一提的是，薛定諤試圖表明，量子理論數(shù)學一定是缺了些什么。他認為“貓不能處于一種生死疊加的狀態(tài)”是一個基本事實，因此量子理論數(shù)學肯定是忽略了某些因素。

薛定諤試圖修改量子理論，從而把他認為通過貓實驗而展現(xiàn)的缺失因素補全。他的努力最終形成了對量子理論的一種詮釋，通常被稱為隱變量詮釋。

也就是說，這種詮釋背后的關鍵點是，量子理論沒有抓住現(xiàn)實真正的樣子，就如前面所描述的，因此需要在理論中加入某些因素（也就是所謂的隱變量），從而使其更好地與我們對現(xiàn)實的直覺保持一致。

與隱變量詮釋形成對比的是通常所說的標準詮釋，或者哥本哈根詮釋。這兩個名字都相當有誤導性，因為并不存在一個單一的、完全界定好的詮釋作為標準詮釋或者哥本哈根詮釋。

03 到底發(fā)生了什么？并不存在唯一且毫無爭議的答案

與隱變量詮釋不同，各種標準詮釋的支持者都認為量子理論是一個完整的理論，不需要“隱變量”，也不需要增加其他內(nèi)容。然而事實上，即使是這些支持者，也在前面所描述的數(shù)學基礎上加入了至少一個因素。

總的來說，這些支持者所加入的因素就是通常所說的投影假設。投影假設控制的是通常所說的波函數(shù)的坍縮或衰減。這其中的關鍵點是，在測量之前，量子實體都被表達為處于態(tài)疊加的狀態(tài)中。

舉個例子，在測量之前，前述實驗中釋放的光子由一個波函數(shù)所表達，而這個波函數(shù)本身是由一個態(tài)疊加的狀態(tài)組成的。然而，在測量時，疊加的兩個狀態(tài)坍縮成了一個新的狀態(tài)，由一個新的波函數(shù)來表達。這個坍縮在數(shù)學上就遵循投影假設，結(jié)果就是前面提到的新的波函數(shù)。

在這個例子中，這個新的波函數(shù)所表達的要么是探測器A探測到的一粒電子，要么是探測器B探測到的一粒電子。因此，直到新的測量發(fā)生之前，這個新的波函數(shù)都遵循薛定諤方程式進行演變。

毫無疑問，前面所描述的數(shù)學，以及波函數(shù)的坍縮或者投影假設，與我們的觀察結(jié)果非常一致。也就是說，量子理論所做出的預言是毋庸置疑的，而且在過去70年間一直如此。然而，如果我們試圖展示到底發(fā)生了什么，波函數(shù)的坍縮當然是很難展示的。

假設我們向標準詮釋的支持者提問，“到底發(fā)生了什么”。舉個例子，在圖25-15所示的實驗中，就在測量發(fā)生之前的時刻，電子真正的位置在哪里？就在測量即將發(fā)生之時，電子真的是存在于兩個通道里的波嗎？就在測量發(fā)生之時，這兩列波之中的一列就會同時消失嗎？

標準詮釋的支持者通常認為像這樣的問題是沒有答案的。比如，我們說不出測量之前電子真正所在之處。如果你的問題是關于電子的其他屬性，比如電子的動量、自旋等，情況同樣如此。總的來說，我們說不出電子在測量發(fā)生之前具備什么樣的屬性。

重點同時也是理解我們在這里所討論內(nèi)容的一個關鍵點就是，根據(jù)標準詮釋，我們之所以說不出電子在測量之前具有什么樣的屬性，并不僅僅是因為我們不知道這些屬性。

事實上，我們說不出這些屬性，是因為這些屬性在測量之前并不存在。也就是說，并沒有哪個物體的屬性是在對這個屬性進行測量之前就確定存在的，因此也就不存在相關的事實。

這是一個非常反直覺的觀點，因此值得花點時間來澄清一下。假設我告訴你我口袋里有一些硬幣。設想你并不知道具體有多少個硬幣，但是我相信你已經(jīng)確信我口袋里有一定數(shù)量的硬幣。可能是兩個、三個或八個，不過不管實際有幾個，你無疑都相信關于我口袋里有多少硬幣，存在一個確定、獨立的事實。

這就是日常生活中信息缺失的一個例子。你說不出我口袋中有多少硬幣，因為你完全不知道有多少。這并不是標準詮釋中所涉及的那種信息缺失。根據(jù)標準詮釋，不存在需要了解的信息。在測量之前，電子沒有確定的位置，也沒有確定的自旋，等等。

標準詮釋的支持者并不是否認現(xiàn)實的存在。也就是說，存在一個現(xiàn)實，存在量子實體，有一粒電子就在“那里”。 然而，那粒電子，以及其他量子實體，在被測量之前，并不具有確定的屬性。

（為準確起見，我必須指出，每個人，包括標準詮釋的支持者，都認為量子實體具有少量不受測量影響的屬性。這些屬性，比如質(zhì)量，通常都被稱為“靜態(tài)屬性”。然而，根據(jù)標準詮釋，除了這樣少數(shù)幾個靜態(tài)屬性，量子實體的其余屬性在測量之前都不存在。）

簡言之，盡管存在一個現(xiàn)實，但組成這個現(xiàn)實的并不是在測量之前就具有某些確定屬性的量子實體。前面硬幣的例子說明了日常生活中的信息缺失，與此相比，標準詮釋支持者所描述的信息缺失則更為嚴重。

在這個對標準詮釋的概述性描述中，存在幾個可能的變量。我們已經(jīng)注意到，根據(jù)標準詮釋，量子實體在測量發(fā)生之前不具有屬性。然而，關于以下兩個問題，我們卻幾乎沒有涉及，那就是：

什么算是量子實體？

什么算是測量？

讓我們花點時間來思考一下這兩個問題。

關于什么算是量子實體，到目前為止，我們舉過的例子包括電子、光子、放射衰變釋放出的粒子，以及與此類似的東西。大家都認為這些是量子實體。

但是，只有這些基礎性粒子才是量子實體嗎？請記住，可以說所有物體都是由這些基本實體構(gòu)成的，別無他物。因此，完全可以說“量子實體”所指的實際上應該是一切物體。也就是說，所有物體都應該被當作是量子實體。

無論如何，請注意，對“什么算是量子實體”的問題，答案既不簡單也非沒有爭議，而且這個問題并不只有一個合理答案。

關于什么算是測量，情況是相似的。這是一個具有重要意義的問題，特別是對標準詮釋的支持者來說。請注意，根據(jù)標準詮釋，波函數(shù)的坍縮會在測量發(fā)生時出現(xiàn)。

然而，什么算是測量？這個問題有很多種答案，要理解這一點，可以思考一下薛定諤的貓的實驗。第一個可以算作是測量的事件是什么時候發(fā)生的？是發(fā)生在當一粒電子出現(xiàn)、兩個探測器中的一個進入到與此相關的物理作用中時嗎？

一開始，你可能傾向于說那就是第一個測量。然而，不要忘了，與那些探測器相關的過程只是物理過程，與盒子里發(fā)生的其他物理過程一樣，都是物理過程。舉個例子，光子與分束器之間有物理作用，但是我們通常不把這個物理作用算作測量。

然而，當光子與我們所說的“探測器”發(fā)生相互作用時，這其中的物理過程跟光子與分束器之間的物理過程相比，并沒有什么特別不同之處。因此，為什么光子與探測器之間的相互作用應該算作測量，答案一點都不明朗。

換句話說，那些光子探測器本身似乎并沒有什么特別之處，那么，為什么它們可以導致波函數(shù)的坍縮？探測器所經(jīng)歷的過程恰好對你我來說特別有趣，因為我們很可能對是否有一粒光子存在的問題很感興趣，然而除了對像我們這樣的觀察者來說有吸引力，那些探測器并不存在什么特別之處。因此，光子探測器是否應該被視為首個測量設備，答案也還遠未清晰。

那么貓的聽覺系統(tǒng)又如何呢？也許不管是探測器A還是探測器B發(fā)出了“嗶”聲，貓都聽到了這個聲音，而且也許貓對“嗶”聲的這種感知算作首次測量。

另一方面，導致貓感知到“嗶”聲的物理作用與盒子里發(fā)生的其他上百萬個（可能更多）物理作用并沒有什么原則性區(qū)別。因此，同樣地，為什么這些特定的相互作用算作“測量”而其他的不算？也許，這些相互作用不應該被算作測量。

盒子里也許其實是下面這個聽起來有些古怪的情形，也就是貓本身處于態(tài)疊加的狀態(tài)中，其中一個態(tài)是聽到探測器A發(fā)出的“嗶”聲，另一個態(tài)是聽到探測器B發(fā)出的“嗶”聲，很快這個態(tài)疊加就變成了另一個態(tài)疊加，其中一個態(tài)是死貓，另一個態(tài)是活貓。

最后，當我們打開盒子、看探測器讀數(shù)并檢查貓的生死時，是否才發(fā)生了首次測量？我們憑直覺傾向于認為波函數(shù)此時肯定已經(jīng)坍縮了，因為我們并沒有看到處于生死疊加中的貓（然而，后面我們會看到，并不是所有對量子理論的詮釋都認同這一點）。不過，坍縮是否僅發(fā)生在這個時刻？人類的意識是否是關鍵的測量？

總的來說，對于“什么算是量子實體”和“什么算是測量”，并不存在唯一且毫無爭議的答案。

如果你想進一步了解“隱變量詮釋”，可閱讀《世界觀：現(xiàn)代人必須要懂的科學哲學和科學史》一書第25章。

關于作者：理查德·德威特（Richard DeWitt），美國費爾菲爾德大學（Fairfield University）教授。他利用豐富的課堂教學經(jīng)驗對《世界觀》一書的文稿進行反復打磨，并配以豐富的圖表補充說明。同時，作者具有將復雜的技術概念分解成讀者可理解的語言的獨特能力，讀來令人大開腦洞。

本文摘編自《世界觀：現(xiàn)代人必須要懂的科學哲學和科學史》，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

延伸閱讀《世界觀》

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的违背常识、颠覆认知，终于有人把薛定谔的猫讲明白了的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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