薛定諤說(shuō)，一只貓可以同時(shí)死了又活著。聽(tīng)起來(lái)像在開(kāi)玩笑，但物理學(xué)家都當(dāng)真了。這是量子力學(xué)最出名也最讓人抓狂的悖論之一。這只“死活不明”的貓，到底藏著什么邏輯？

量子力學(xué)的經(jīng)典悖論

1935年，奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：設(shè)想有一只貓被關(guān)在一個(gè)封閉的盒子里，盒子里放著一瓶毒氣，毒氣是否釋放由一個(gè)放射性原子是否衰變決定，而這個(gè)原子是否衰變，是一種“量子事件”。

問(wèn)題就出在這個(gè)原子上。根據(jù)量子力學(xué)的哥本哈根解釋?zhuān)谖覀儧](méi)有打開(kāi)盒子之前，原子既處于衰變狀態(tài)，也處于未衰變狀態(tài)，是疊加的。而貓的生死，取決于原子的狀態(tài)。如果原子疊加，那貓也必須是“活”和“死”的疊加狀態(tài)，也就是既活著，也死了，直到你打開(kāi)盒子，觀察它。

為了更好地理解這個(gè)悖論，我們可以用一個(gè)“拋硬幣”的類(lèi)比。你拋出一枚硬幣，用手蓋住。在你抬手看之前，硬幣的結(jié)果（正面或反面）雖然是“未知”的，但它是“確定”的，早已存在于那里。你的“看”，只是發(fā)現(xiàn)了一個(gè)既定事實(shí)。

但在量子世界里，情況截然不同。那個(gè)決定貓生死的放射性原子，就像一枚“量子硬幣”。在你打開(kāi)盒子“看”之前，它并非“已經(jīng)衰變”或“尚未衰變”，而是同時(shí)處于“正在衰變”和“沒(méi)有衰變”這兩種狀態(tài)中。你的觀察行為，不像是在發(fā)現(xiàn)結(jié)果，而像是在迫使這枚“量子硬幣”瞬間“決定”自己到底是哪一面。

這個(gè)設(shè)想背后的物理模型是明確的：微觀粒子，比如一個(gè)放射性原子，確實(shí)可以處于“疊加態(tài)”——比如既衰變也未衰變。但把這個(gè)狀態(tài)放大到宏觀世界，也就是那只貓的生死狀態(tài)，也一并疊加，這就是問(wèn)題的核心。你可以用數(shù)學(xué)描述它，但你真能接受現(xiàn)實(shí)中有一只既死又活的貓嗎？

說(shuō)到底，這是在挑戰(zhàn)一個(gè)根本性的問(wèn)題：我們能不能接受“現(xiàn)實(shí)”這件事，在未觀察前根本不存在確定性？

“疊加態(tài)”是量子世界的基本運(yùn)行方式

我們得承認(rèn)，在微觀世界中，“既是這樣，又是那樣”的狀態(tài)并不是異想天開(kāi)，而是被實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證的真現(xiàn)象。

要理解“疊加態(tài)”有多真實(shí)，我們?cè)賮?lái)打個(gè)比方：想象你有一團(tuán)濕泥巴，和你面前一道有兩條縫隙的墻。

如果你一次次地把泥團(tuán)扔向墻，它要么從左邊縫穿過(guò)去，在背后的擋板上留下一個(gè)泥點(diǎn)；要么從右邊縫穿過(guò)去，留下一個(gè)泥點(diǎn)。最終，擋板上會(huì)聚集兩坨泥巴印。這是經(jīng)典粒子的行為，有且只有一個(gè)路徑。

但如果你用“水波”來(lái)代替泥團(tuán)呢？水波會(huì)同時(shí)通過(guò)兩條縫隙，穿過(guò)去的兩列波會(huì)相互干涉，在擋板上形成一道道明暗相間的美麗條紋。這是波的行為，它同時(shí)通過(guò)了兩條路徑。

這就是最經(jīng)典的“雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”。早在1801年，托馬斯·楊就發(fā)現(xiàn)光通過(guò)兩道縫會(huì)產(chǎn)生干涉圖樣，說(shuō)明光具有波動(dòng)性。可到了1927年，美國(guó)物理學(xué)家戴維森和革末在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，單個(gè)電子通過(guò)雙縫，也會(huì)呈現(xiàn)干涉圖樣。

這意味著什么？那個(gè)電子，表現(xiàn)得不像一顆經(jīng)典的“泥丸子”，只走一條縫；它表現(xiàn)得像一團(tuán)“概率波”，同時(shí)通過(guò)了左縫和右縫，自己和自己發(fā)生了干涉。這說(shuō)明，哪怕只發(fā)射一個(gè)電子，它也“自己干擾自己”，表現(xiàn)出像波一樣的行為。

這意味著什么？電子在通過(guò)雙縫之前，并沒(méi)有走哪一條縫，而是以一種數(shù)學(xué)上可以描述的“疊加態(tài)”同時(shí)走過(guò)了兩條路徑。只有當(dāng)你試圖測(cè)量它走哪條縫時(shí)，它才“選擇”一個(gè)路徑。否則，它就維持在兩種可能性并存的狀態(tài)。

這種狀態(tài)不是想象，它有真實(shí)可測(cè)的數(shù)學(xué)表達(dá)方式。量子力學(xué)用“波函數(shù)”描述粒子的狀態(tài)，而波函數(shù)的核心特征就是疊加性。更關(guān)鍵的是，這種疊加并不是模糊不清，而是一種確定的概率結(jié)構(gòu)，直到你進(jìn)行觀察，波函數(shù)才坍縮，概率才變成現(xiàn)實(shí)。

所以，薛定諤的貓其實(shí)不是一個(gè)“貓的問(wèn)題”，而是當(dāng)微觀的不確定被放大到宏觀時(shí)，我們的世界觀是否還成立的問(wèn)題。如果一個(gè)粒子能疊加，那一只貓為什么不行？這就是量子邏輯最令人不安的地方：它在數(shù)學(xué)上成立，但在人類(lèi)直覺(jué)上完全說(shuō)不通。

真實(shí)世界里有“既死又活”的貓嗎？

你可能會(huì)問(wèn)，這只是思想實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)實(shí)世界里真的有“薛定諤的貓”嗎？還真有科學(xué)家嘗試把這個(gè)問(wèn)題變成實(shí)驗(yàn)。

2010年，耶魯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次用超導(dǎo)電路系統(tǒng)制造出一個(gè)人工“量子貓態(tài)”。他們將一個(gè)微小的超導(dǎo)腔體置于極低溫環(huán)境下，使其可以同時(shí)維持“電流順時(shí)針流動(dòng)”和“逆時(shí)針流動(dòng)”這兩種狀態(tài)。這兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)于經(jīng)典世界的“生”和“死”，而它們?cè)趯?shí)驗(yàn)中被同時(shí)測(cè)得。

更驚人的是，這種“貓態(tài)”并不只活在實(shí)驗(yàn)室里。2016年，法國(guó)巴黎薩克雷大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將這個(gè)“量子貓”延展到了光子層級(jí)，實(shí)現(xiàn)了在兩種光波相位之間的量子疊加態(tài)，并維持了數(shù)百微秒的穩(wěn)定性。在這個(gè)時(shí)間尺度里，光既處于一個(gè)相位，也處于另一個(gè)相位，直到被觀測(cè)。

這些實(shí)驗(yàn)表明，薛定諤的貓不再只是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，它已經(jīng)成為量子控制和量子計(jì)算的技術(shù)前沿。谷歌、IBM和中國(guó)科大等機(jī)構(gòu)都在探索如何穩(wěn)定地制造和操控“量子疊加態(tài)”，這正是實(shí)現(xiàn)真正量子計(jì)算所必須突破的核心障礙。

如果說(shuō)量子世界允許疊加態(tài)，那為什么我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中從沒(méi)見(jiàn)過(guò)“半死不活”的貓？這不是因?yàn)樗淮嬖冢且驗(yàn)?strong>宏觀世界的“退相干”機(jī)制會(huì)迅速把疊加態(tài)打回經(jīng)典狀態(tài)。

當(dāng)一個(gè)粒子處于疊加態(tài)時(shí)，只要它與外界發(fā)生哪怕極其微弱的相互作用，這種疊加就會(huì)瞬間坍縮。這叫“量子退相干”。研究表明，在常溫常壓下，一個(gè)電子的疊加態(tài)在不到一皮秒（10?12秒）內(nèi)就會(huì)坍縮。

而一個(gè)像貓這樣的宏觀系統(tǒng)，其與周?chē)h(huán)境的耦合極其復(fù)雜，任何一個(gè)空氣分子的撞擊、一個(gè)紅外光子的照射，都會(huì)立即把它的狀態(tài)“拉回現(xiàn)實(shí)”。

這也是為什么量子實(shí)驗(yàn)必須在接近絕對(duì)零度的真空中進(jìn)行，才能維持疊加態(tài)。2018年，MIT的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)法讓一個(gè)由數(shù)千個(gè)原子組成的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體維持疊加態(tài)達(dá)到了2.1秒，但這是在極端條件下才可能實(shí)現(xiàn)的。

所以，薛定諤的貓之所以不會(huì)出現(xiàn)在你家陽(yáng)臺(tái)上，不是因?yàn)槲锢碓聿辉试S，而是因?yàn)?strong>現(xiàn)實(shí)環(huán)境太吵了，貓根本撐不到你打開(kāi)盒子。

寫(xiě)在最后

在我看來(lái)，薛定諤的貓?zhí)嵝盐覀?，現(xiàn)實(shí)世界遠(yuǎn)比我們以為的復(fù)雜。它不只是“是什么”，更是“被誰(shuí)、怎么觀察”之后才決定是什么。這場(chǎng)由一只貓引發(fā)的思考，至今仍在深刻地影響著我們的世界觀。