薛定谔的猫为什么不能听声音（深度长文解读薛定谔的猫）

薛定谔的猫，物理学上的“四大神兽”之一，是薛定谔提出的思想实验，实验的目的是为了质疑讽刺以波尔首位的各奔哈哥学派关于量子世界的不确定性和叠加态原理。

在讲述具体实验之前，说点题外话，方便我们更好地理解实验本身。

先简单说说量子力学。

量子力学有一个核心思想，那就是是不确定性原理，由此还可以引申出波函数概率诠释。该如何理解不确定性原理和波函数呢？

用宏观世界的例子或许更容易理解。

你我都玩过抛硬币的游戏，用正面或反面决定输赢。空中扔一枚硬币，然后双手盖住，硬币究竟是正面还是反面呢？

我们不能确定，但这里的“不确定”并不是量子力学中的“不确定性”。虽然我们不知道硬币是正面还是反面，但其实正面还是反面是确定的，只不过我们不知道而已。只需要观测一下就知道了。

不同之处就在于此。

宏观世界里，你的观测行为并不能影响硬币到底是正面还是改变，无论你观测与否，硬币的状态都早已经确定下来了。不是正面就是反面，正面反面的概率都是50%，这是经典物理的解释。

但在量子世界里，在你观测之前，硬币的正反面是真的不确定，只能用概率来描述。按照量子力学诠释，不确定性是一种内在秉性，本身的固定属性，与观测没有任何关系。

宏观世界里的“不确定”只是因为你没有看见，所以才不确定是正面还是反面。但是硬币的正反面在你用手盖住的那一刻就确定下来了，与你看不看没有关系。

但量子世界就不一样了，由于不确定性是微观粒子的固有属性，真的是不确定的。还拿刚才的硬币举例子，就相当于硬币在你中不断地进行正反面变换。而当你打开手掌的那一刻，硬币的状态就确定了，也就是物理学上的波函数坍缩了（这样通俗的理解其实并不严谨，目的是让你更好地对比宏观世界和微观世界）。

按照量子力学，更严谨​的​诠释是这样的：那枚硬币的反面和正面是同时朝上的！当然我们在宏观世界不可能看到这种现象，但在微观世界的微观粒子确实是真实存在这种现象的，这就是叠加态。

也就是说，硬币处于正面和反面的叠加态。

量子力学里的叠加态并不是物理学家拍脑门臆想出来的，而是由数学的推导过程，叫做“态叠加原理”。

这里需要强调一点，波函数其实是一个假设，在这个假设的基础上可以推算出量子世界的一些原理，在假设的基础上进行推理有意义吗？万一假设本身就是错的呢？

这点科学家早有想到，而且科学原理都是通过这种方式推算出来的。首先是假设，然后通过各种实验来验证这种假设，如果实验支撑了假设，就证明假设是值得信任的。这也是科学产生的基本逻辑，也是为什么说科学是“可证伪的”。

波函数和态叠加原理就是如此，起码到目前为止，很符合实验的观察验证。

用波函数诠释量子世界就比较容易了。比如电子的自旋方向，是同时向上向下的。还有电子的具体位置，有可能在A点，也有可能在B点，还有可能同时在A点和B点。

明白了这点，再解释电子双缝干涉就比较容易了。电子同时通过两条狭缝，自己和自己发生了干涉。

看到这里，是不是有点懵逼？

别气馁，不仅仅你懵逼，爱因斯坦和薛定谔等物理界大佬也很难接受。于是就有了薛定谔的猫这个思想实验，这个实验具体是这样的。

假设有一个封闭的箱子，箱子里有一只活着的猫，放射性物质，毒气瓶，一个开关，一个锤子。

我们都知道放射性物质的衰变是随机发生的，按照刚才的叠加态原理，放射性物质处于衰变和不衰变的叠加态。

如果放射性物质衰变了，开关就会启动，锤子落下打碎毒气瓶，然后猫就被毒死了。

根据以​波​尔为首的哥本哈根诠释，放射性物质处于衰变不衰变的叠加态，那么开关也就处于开和关的叠加态，接下来毒气瓶也处于打碎和没打碎的叠加态，于是猫就处于生和死的叠加态。

于是，一只“既死又活”的猫就这样诞生了。

而只有你打开盒子之后，才能决定猫的生死。注意，这里用的是“决定”而不是“看到”！

一只“既死又活”的猫？

薛定谔对着波尔等人“呵呵”一笑：你这不是跟我扯呢吗，怎么可能存在既死又活的猫呢？你的什么不确定性和叠加态一点也不靠谱。

波尔等哥本哈根学派的物理学大佬当然不肯认输，他们有自己的解释。

波尔就表示，所谓的测量和观察完全就是两码事。观察太有强烈的人类意识，而测量就没有，比如说实验中的开关，就是用来测量有没有发生衰变。只要有了开关的存在，就意味着放射性物质的叠加态已经不存在了，已经坍缩了。以后的问题就与量子力学无关了，都属于宏观的经典事件了。

说白了，开关的存在就是一种测量。猫的生死与人们的观察与否没有关系。

还有一种解释是隐变量理论。说量子力学是不完备的，一定存在着某种未知的隐变量，才导致量子世界会出现所谓的“叠加态”。

我们需要注意到一点：箱子里到底有什么？除了有宏观的可见物质，还充满了各种的微观粒子。

另外一种解释就是所谓的“意识导致波函数坍缩”，也就是人们的意识会影响决定微观粒子的行为。这种观点大多来自网络上，不建议大家往这方面考虑，这种观点其实也是“民科”的一种体现。

随着量子力学的不断发展，科学家们提出了新的理论来诠释波函数坍缩和薛定谔的猫，那就是“退相干原理”。

还拿薛定谔的猫解释“退相干原理”。不知道你有没有注意到，薛定谔的猫中问题的关键就在于：波函数为什么发生了坍缩呢？到底是什么导致波函数坍缩呢？

不要提意识，这太虚了，而且带有强烈的哲学色彩。

我们需要注意到一点：箱子里到底有什么？除了有宏观的可见物质，还充满了各种的微观粒子。

退相干性认为，量子的相干性会因为外部环境的影响产生量子纠缠现象，然后随着时间慢慢消失。

简单说，就是环境中的微观粒子会影响到箱子中放射性物质的叠加态，使其不再具有叠加态，拥有了宏观物体的特性。

从微观世界的性质退化到宏观世界的性质的过程，就是“退相干”，这个过程所需的时间就是退相干时间。

到这里，或许你也感受到了什么。

没错，我们的宏观物体也有叠加态（不确定性），只不过退相干的时间太短了，我们根本感受不到而已！

退相干原理最初是由德国物理学家泽贺在1970年提出来的，最开始没有引起太大的注意。直到二十多年后，法国科学家阿罗什证明了退相干的存在，并因此获得了诺贝尔物理学奖，退相干原理才越来越多地被外界接受认可。

但退相干原理并不完美，虽然它能诠释思想实验薛定谔的猫，但并没有解释真正的内在机制。也就是说，没有解释“环境中的微观粒子到底是如何影响到放射性物质的？”，“微观粒子为什么可以让放射性物质坍缩为本征态？”

这个问题直到今天也没有完美的诠释。

但是我们应该明白一点，理论上任何问题都不会有最终的完美答案。就像哥德尔的不完美原理一样，当我们试图证明一个不完备的理论时，需要用到新的假设，这样就产生的新的不完备。

但无论如何，科学就是这样一步步向前发展的。

最后不得不感叹，当初薛定谔提出“薛定谔的猫”这个思想实验的目的，就是为了讽刺质疑各奔哈哥学派的叠加态和不确定性，没想到最终成为了推动量子力学发展的工具，让物理学家们验证了叠加态确实是存在的！

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终成为了推动量子力学发展的工具，让物理学家们验证了叠加态确实是存在的！

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