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薛定諤之貓 - 量子力學實驗

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"薛定諤之貓"是關於量子理論的一個思想實驗，薛定諤之貓的概念提出是為了反對量子理論中的二元解釋以及統計解釋。

基本信息

中文名； 薛定諤之貓

外文名； Erwin Schrödinger's Cat

別稱； "薛定諤的貓"

提出者； 埃爾溫·薛定諤

背景知識

什麼是薛定諤的貓[1] ?這要從頭說起。薛定諤(E.Schrodinger，1887-1961)是奧地利著名物理學家、量子力學的創始人之一，曾獲1933年諾貝爾物理學獎。量子力學是描述原子、電子等微觀粒子的，它所揭示的微觀規律與日常生活中看到的宏觀規律很不一樣。處於所謂"疊加態"的微觀粒子之狀態是不確定的，例如:電子可以幾乎同時位於幾個不同的地點，直到被觀察測量(觀測)時，才在某處出現。這種事如果發生在宏觀世界的日常生活中，就好比:我在家中何處是不確定的，你看我一眼，我就突然現身於某處--客廳、餐廳、廚房、書房或臥室都有可能，而在你看我之前，我像雲霧般隱身在家中，穿牆透壁到處遊蕩。這種"魔術"別說常人認為荒謬，物理學家如薛定諤也想不通。於是薛定諤就在1935年編出了這個佯謬，以引起注意。薛定諤想要藉此闡述的物理問題是:宏觀世界是否也遵從適用於微觀尺度的量子疊加原理。"薛定諤的貓"佯謬巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯繫起來，旨在否定宏觀世界存在量子疊加態。是薛定諤試圖證明量子力學在宏觀條件下的不完備性而提出的一個思想實驗。

摺疊編輯本段詳細內容

把一隻貓放進一個不透明的盒子裡，然後把這個盒子連接到一個包含一個放射性原子核和一個裝有有毒氣體的容器的實驗裝置。設想這個放射性原子核在一個小時內有50%的可能性發生衰變。如果發生衰變，它將會發射出一個粒子，而發射出的這個粒子將會觸發這個實驗裝置，打開裝有毒氣的容器，從而殺死這隻貓。根據量子力學，未進行觀察時，這個原子核處於已衰變和未衰變的疊加態，但是，如果在一個小時後把盒子打開，實驗者只能看到"衰變的原子核和死貓"或者"未衰變的原子核和活貓"兩種情況。薛定諤在1935年發表了一篇論文，題為《量子力學的現狀》，在論文的第5節，薛定諤描述了那個常被視為惡夢的貓實驗:哥本哈根學派說，沒有測量之前，一個粒子的狀態模糊不清，處於各種可能性的混合疊加。比如一個放射性原子，它何時衰變是完全概率性的。只要沒有觀察，它便處於衰變/不衰變的疊加狀態中，只有確實地測量了，它才會隨機地選擇一種狀態而出現。那麼讓我們把這個原子放在一個不透明的箱子中讓它保持這種疊加狀態。薛定諤想象了一種結構巧妙的精密裝置，每當原子衰變而放出一個粒子，它就激發一連串連鎖反應，最終結果是打破箱子裡的一個毒氣瓶，而同時在箱子裡的還有一隻可憐的貓。事情很明顯:如果原子衰變了，那麼毒氣瓶就被打破，貓就被毒死。要是原子沒有衰變，那麼貓就好好地活着。

這個理想實驗的巧妙之處，在於通過"檢測器-原子-毒藥瓶"這條因果鏈，似乎將鈾原子的"衰變-未衰變疊加態"與貓的"死-活疊加態"聯繫在一起，使量子力學的微觀不確定性變為宏觀不確定性;微觀的混沌變為宏觀的荒謬--貓要麼死了，要麼活着，兩者必居其一，不可能同時既死又活!難怪英國著名科學家霍金聽到薛定諤貓佯謬時說:"我去拿槍來把貓打死!"

深刻意義

一隻貓同時又是死的又是活的?它處在不死不活的疊加態?這未免和常識太過衝突，同時在生物學角度來講也是奇談怪論。如果打開箱子出來一隻活貓，那麼要是它能說話，它會不會描述那種死/活疊加的奇異感受?恐怕不太可能。 換言之，"薛定諤貓"概念的提出是為了反對量子理論中的二元解釋以及統計解釋。

薛定諤貓佯謬實際上提出了一個十分重要的問題:什麼是量子力學的觀測?觀察或測量都與人的主觀有關，而人在箱外，所以必須打開箱子才能決定貓的死活。誰都知道箱中貓的死活是由鈾的衰變決定的--衰變前貓是活的，衰變後貓就死了，這與是否有人打開箱子進行觀察毫不相干。所以毛病出在觀測的主觀性上，應該朝這個方向尋根究底。

微觀的觀測與宏觀的觀測有所不同。宏觀的觀測對被觀測對象沒有什麼影響。俗話說:"看一眼總行吧。"意思是對所看之物並無影響，用不着擔心。微觀的觀測對被觀測對象有影響，會引起變化。以觀測電子為例，要用光照才能看見，光的最小單位光子的能量雖小但不是零，光子照到被觀測的電子上，對電子的影響很大。所以，在微觀世界中看一眼也會惹禍!

量子力學認為，觀測的結果使得被觀測對象的狀態改變了:一個確定態從原先不確定的疊加態中蹦了出來。再追究下去，觀測無非是觀測手段(如光子)與被觀測對象(如電子)之間的一種相互作用，這種相互作用並不一定與觀測者聯繫起來，後者可以用檢測器之類的儀器代替。經過幾十年的探索，物理學家終於認識到:在由疊加態到確定態的轉變中，觀測曾經扮演的角色應該以相互作用來代替，這樣不僅更普遍而且更客觀。具體到薛定諤貓佯謬，就能將人的主觀因素完全排除--貓的死活不是由人開箱看貓一眼所決定的。

讀者會說:"不就是一隻假想的貓嗎，讓霍金開槍打死不就完了。"事情並非那麼簡單，否則許多物理學大師就不會那麼孜孜以求了。薛定諤貓佯謬衍生出更深刻的問題:大量原子、分子所構成的生物與這些微觀粒子遵從的量子力學規律之間的關係究竟是什麼?這不僅是重要的理論問題，而且具有實際意義。例如，自我意識的機制至今仍然是未解之謎，有人認為可能與量子力學或者更深層次的微觀規律有關。再如思維過程中的"頓悟"，會不會與前述之"一個確定態就從原先不確定的疊加態中蹦了出來"有關呢?可能有關的還有:生命的起源、物種的變異、光合作用的機制……如此等等。總之，生命的秘密和思維的奧妙不可能與量子力學的規律無關。這就難怪薛定諤後來轉而對生命科學很感興趣了。1946年他寫出了著名的《生命是什麼》一書，提出了一些很有創見的觀點。遺憾的是，在他有生之年，那可憐的箱中之貓依然生死不明。

"薛定諤貓"是被作為質疑量子力學的極端例子提出來的，但圍繞着它一系列量子力學基本問題的研究，其寓意是十分深刻的。一方面，薛定諤貓為我們提供了從量子力學過渡到經典力學的範例，使人們充分領略到退相干過程的基本物理含義，並尋求比量子力學更基本的底層理論;另一方面，由於人們能夠在特殊的條件下，製備出各種各樣薛定諤貓態，使得量子力學適用的領域，從微觀直接延伸到宏觀，其進一步應用有可能發現新的、更宜於實際實現的量子信息載體。的確，站在量子與經典邊界上的"薛定諤貓"告訴了我們許多自然界的秘密，雖然到目前為止，我們尚不能確切地知道這個邊界究竟在哪裡。 尋求量子與經典邊界的研究，或許會導致二十一世紀物理學的重大進展。

實驗研究

物理學是實驗科學，一切要由實驗來判定。較早的一批關於"薛定諤貓"的實驗是將處於疊加態的單個原子或分子從周圍環境中孤立起來，然後以可控制的方法使之相互作用，以觀察其變化。結果發現，關鍵在於環境的相互作用，它導致原先的量子疊加態轉變為經典的確定態。但是將這些實驗對象當作薛定諤貓是一種極度的簡化，單個原子或分子與薛定諤貓相去何止十萬八千里。

1996年5月，美國科羅拉多州博爾德的國家標準與技術研究所(NIST)的Monroe等人用單個鈹離子作成了"薛定諤的貓"並拍下了快照，發現鈹離子在第一個空間位置上處於自旋為正的狀態，而同時又在第二個空間位置上處於自旋為負的狀態，而這兩個狀態相距80納米之遙!(1納米為1米的十億分之一)--這在原子尺度上是一個巨大的距離。想像這個鈹離子是個通靈大師，他在紐約與喜馬拉雅同時現身，一個他正從摩天樓頂往下跳傘;而另一個他則正爬上雪山之巔!--量子的這種"化身博士"特點，物理學上稱"量子相干性"。在早期的楊氏雙縫實驗中，單個光粒子即以優美的波粒二象性，輕巧地同時穿過兩條狹縫，在觀察屏上製造出一幅美麗的明暗相干條紋。

2000年7月，《自然》報道了最新的實驗結果。這次《自然》報道的實驗與上述那些實驗不同。紐約州立大學石溪分校弗里德曼(J. R. Friedman)等人拿來做實驗的"薛定諤貓"不是單個粒子，而是在接近絕對零度的超導體環形電路中由幾十億對電子構成的超導流。實驗證明，這種由大量粒子構成的宏觀量子系統也可以處於疊加態--相當於薛定諤貓的"死-活疊加態"。幾十億對電子構成的超導流當然還不能與幾億億億個原子構成的貓相比，但較之單個原子分子畢竟前進了一大步。所以有人驚呼:"薛定諤貓變胖了!"

下一步是否拿一隻真的貓來做實驗呢?不可能!首先是無法將之與周圍環境隔離--置於真空中的貓馬上會死掉。其次，與接近絕對零度的超導流不同，常溫下的貓根本不是宏觀量子系統，何來疊加態?而且也沒有必要做這樣的實驗，物理學家根據現有的實驗結果，對薛定諤貓為什麼不可能有"死-活疊加態"已能作出符合量子力學的解釋。

2005年12月，美國國家標準和技術研究所的萊布弗里特等人在《自然》雜誌上稱，他們已實現擁有粒子較多而且持續時間最長的"薛定諤貓"態。實驗中，研究人員將鈹離子每隔若干微米"固定"在電磁場阱中，然後用激光使鈹離子冷卻到接近絕對零度，並分三步操縱這些離子的運動。為了讓儘可能多的粒子在儘可能長的時間裡實現"薛定諤貓"態，研究人員一方面提高激光的冷卻效率，另一方面使電磁場阱儘可能多地吸收離子振動發出的熱量。最終，他們使6個鈹離子在50微秒內同時順時針自旋和逆時針自旋，實現了兩種相反量子態的等量疊加糾纏，也就是"薛定諤貓"態。

奧地利因斯布魯克大學的研究人員也在同期《自然》雜誌上報告說，他們在8個離子的系統中實現了"薛定諤貓"態，但維持時間稍短。

科學家稱，"薛定諤貓"態不僅具有理論研究意義，也有實際應用的潛力。比如，多粒子的"薛定諤貓"態系統可以作為未來高容錯量子計算機的核心部件，也可以用來製造極其靈敏的傳感器以及原子鐘、干涉儀等精密測量設備。[2]

麻省大學波城分校的K.Jacobs所領導的小組設計了一個可能實現這個理論的實驗。2012年，加州大學伯克利分校的R.Vijay所領導的小組完成名為《量子位的量子反饋控制》的弱觀測實驗(論文PDF)，其結果被發表在了2012年10月的《自然》上。

觀測的對象是一個超導迴路，由於超導體的特殊性質，這個迴路能儲存一個量子位(qubit)的信息。--經典的比特位只能是0或者1，而量子位可以是0和1的疊加態。接着，這個迴路進入了│0>態和在│1>態之間的高頻振動狀態，使得系統會經歷所有的疊加態。然後，我們開始測量這個振動的頻率，而不是去觀測這個振動在某一時刻處於│0>或者處於│1>，或者是兩者之間的某個狀態。

相關疑惑

[4] 如果我們不揭開密室的蓋子，根據我們在日常生活中的經驗，可以認定，此貓或者死，或者活，這是它的兩種本徵態。但是，根據量子力學，我們用薛定諤方程來描述薛定諤貓，則只能說，它處於一種活與不活的疊加態，我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道此貓是死是活，此時，貓的波函數由疊加態立即收縮到某一個本徵態。 這與我們的日常經驗嚴重相違，揭開蓋子前，要麼死，要麼活，怎麼可能不死不活，又死又活?

薛定諤挖苦說:按照量子力學的解釋，箱中之貓處於"死-活疊加態"--既死了又活着!要等到打開箱子看貓一眼才決定其生死。(請注意!不是發現而是決定，僅僅看一眼就足以致命!)正像哈姆雷特王子所說:"To be or not to be --that is the question..."(Hamlet 3.1) 只有當你打開盒子的時候，疊加態突然結束(在數學術語就是"坍縮(recollapse)"，哈姆雷特王子的猶豫才終於結束，我們知道了貓的確定態:死，或者活。

哥本哈根的幾率詮釋的一個優點就是:一次觀測只會出現一個結果。這雖然與我們的日常經驗相符合， 但是有一個大的問題:它要求波函數突然坍縮。但物理學中沒有一個公式能夠描述這種坍縮。儘管如此，長期以來物理學家們出於實用主義的考慮，還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價是:違反了薛定諤方程。

延伸閱讀

詮釋 哥本哈根詮釋:

哥本哈根詮釋是建立在由德國數學家、物理學家Max Born所提出的"波函數的概率表達"上，之後發展為著名的不確定原理，即震動中的微粒子--量子的類弦的決定論詮釋。把電子波與發現概率聯繫起來，並主張"波包塌縮"的一種對物質--波的量子論解釋，已經成為量子論的標準詮釋。其在很長的一段時間成了"正統的"、"標準的"詮釋。但那隻不死不活的貓卻總是像惡夢一樣讓物理學家們不得安寧。

格利賓在《尋找薛定諤的貓》中想告訴我們的是，哥本哈根詮釋在哪兒失敗，以及用什麼詮釋可以替代它。

多世界詮釋:

格利賓在書中寫道:"埃弗雷特……指出兩隻貓都是真實的。有一隻活貓，有一隻死貓，但它們位於不同的世界中。問題並不在於盒子中的放射性原子是否衰變，而在於它既衰變又不衰變。當我們向盒子裡看時，整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其餘的各個方面都是全同的。唯一的區別在於其中一個版本中，原子衰變了，貓死了;而在另一個版本中，原子沒有衰變，貓還活着。"

1957年，埃弗雷特提出的"多世界詮釋"似乎為人們帶來了福音，雖然由於它太離奇開始沒有人認真對待。格利賓認為，多世界詮釋有許多優點，由此它可以代替哥本哈根詮釋。

也就是說，上面說的"原子衰變了，貓死了;原子沒有衰變，貓還活着"，這兩個世界將完全相互獨立地演變下去，就像兩個平行的世界一樣。格利賓顯然十分讚賞這一詮釋，所以他接着說:"這聽起來就像科幻小說，然而……它是基於無懈可擊的數學方程，基於量子力學樸實的、自洽的、符合邏輯的結果。""在量子的多世界中，我們通過參與而選擇出自己的道路。在我們生活的這個世界上，沒有隱變量，上帝不會擲骰子，一切都是真實的。"按格利賓所說，愛因斯坦如果還活着，他也許會同意並大大地讚揚這一個"沒有隱變量，上帝不會擲骰子"的理論。

這個詮釋的優點是:薛定諤方程始終成立，波函數從不坍縮，由此它簡化了基本理論。它的問題是:設想過於離奇，付出的代價是這些平行的世界全都是同樣真實的。這就難怪有人說:"在科學史上，多世界詮釋無疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論。"

系綜詮釋

系綜詮釋指出疊加態僅僅是一個更大的統計系綜的一部分。態矢量並不適用於單個的貓實驗，而僅僅適用於被類似準備的許多貓實驗的統計。這種詮釋的支持者說這使得薛定諤的貓佯謬成為了一個沒有意義的，不是問題的東西。

其他詮釋

相關詮釋沒有對人類實驗者、貓或儀器，或者生命系統與非生命系統之間做本質之上的區分;都是遵循相同的波函數演化定律的量子系統，都可以被認為是"觀察者"。但相關詮釋允許不同的觀察者可以對相同的系列事件給出不同的描述，這些描述取決於它們所擁有的關於這個系統的信息。貓可以被認為是儀器的一個觀察者;同時，實驗者可以被認為是盒內系統(貓加儀器)的另一個觀察者。在盒子被打開之前，貓，因其天然地有生或死，擁有了對儀器狀態(原子是否衰變)的信息;但實驗者並沒有關於盒內之物的信息。這樣，兩個觀察者同時對當前的情形有了不同的描述:對貓來說，儀器的波函數表現為"坍縮";對實驗者來說，盒內之物表現為疊加態。直到盒子被打開，兩個觀察者擁有了對於發生了什麼的相同的信息，兩個系統狀態才表現為"坍縮"成同樣確切的結果，一隻貓是活的或是死的。

客觀坍縮理論

根據客觀坍縮理論，疊加態在某些客觀的物理閾值(時間、質量、溫度、不可逆性等)達到的時候會自發地被破壞。因此，貓會在盒子被打開以前早就處在一個確切的狀態。這可以被不嚴謹地說成"貓觀察它自己"或"環境觀察貓"。

薛定諤方程

埃爾溫·薛定諤創立了被稱為量子力學分支中的一個方程。後來被稱之為薛定諤方程: 量子理論是20世紀科學的重大進展之一，但由於量子力學對傳統觀念所帶來的巨大衝擊，連"量子"的提出者在內的科學家都想盡各種辦法拒絕它，或做出各種調和性的解釋。事實上，薛定諤被量子力學的結果弄得心神不安，他不喜歡波粒二象性的二元解釋以及波的統計解釋，試圖建立一個只用波來解釋的理論。

爭議

量子力學告訴我們:除非進行觀測，否則一切都是不真實的。愛因斯坦和少數非主流派物理學家拒絕接受由薛定諤及其同事創立的理論結果。愛因斯坦認為，量子力學只不過是對原子及亞原子粒子行為的一個合理的描述，是一種唯象理論，它本身不是終極真理。他說過一句名言:"上帝不會擲骰子。"他不承認薛定諤的貓的非本徵態之說，認為一定有一個內在的機制組成了事物的真實本性。他花了數年時間企圖設計一個實驗來檢驗這種內在真實性是否在起作用，但他沒有完成這個計劃就去世了。

歌曲

初音未來的同名歌曲《薛定諤的小貓(シュレディンガイガーのこねこ)》，由daniwell P譜曲、填詞，Hatsune Miku演唱，以慶祝獲2012年諾貝爾物理學獎獲獎者法國科學家沙吉·哈羅什(Serge Haroche)與美國科學家大衛·維蘭德(David J. Wineland)，獲獎理由是"突破性的試驗方法使得測量和操縱單個量子系統成為可能。這一重大實驗使得薛定諤之貓所提出的單個粒子操縱和測量成為現實。

實驗

電車難題

空地上的奶牛

定時炸彈

愛因斯坦的光線

特修斯之船

伽利略落體實驗

猴子和打字機

中文房間

薛定諤的貓

缸中之腦