圖一 薛定諤方程

量子力學(xué)中有許多歷史悠久的思想實驗，其中大多數(shù)都是用來指出量子力學(xué)中的破綻。理論物理學(xué)家、量子力學(xué)的先驅(qū)之一埃爾溫·薛定諤設(shè)想了這樣一個思想實驗：

把一只貓關(guān)在裝有放射源及有毒氣體的封閉容器里。放射源在單位時間內(nèi)有一定的幾率會發(fā)生衰變，當(dāng)檢測到放射源衰變時，有毒氣體就會釋放，貓就會死；如果放射源沒有發(fā)生衰變的話，貓就存活。

量子力學(xué)中的哥本哈根詮釋（Copenhagen interpretation）指出：物理系統(tǒng)的屬性并不是確定的，只能用量子力學(xué)的概率術(shù)語來衡量系統(tǒng)的屬性，而且測量的行為會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，造成概率集縮小到許多可能值中的一個，這種情況被稱為波函數(shù)坍縮（wave-function collapse）。

舉例來說：在你看月亮之前，月亮是任意可能的狀態(tài)，比如說滿月、半月、新月等。但是只要你一看，月亮就會坍塌到一種可能的狀態(tài)。因此，觀測這種手段，在量子力學(xué)中扮演著重要的角色?？紤]上面的思想實驗，這意味著過了一段時間之后，貓同時活著和死去。當(dāng)你向盒子里面看的時候，這瞬間你就會看到貓是活著或是死了，而不是既死去又活著。

這里有一個問題，那就是量子疊加態(tài)是什么時候結(jié)束的，什么時候坍塌到其中一種可能的狀態(tài)？量子疊加不適用于大型物體，比如說貓，因為生物并不能同時活著和死亡。因此，薛定諤判定，哥本哈根詮釋必然存在內(nèi)在的缺陷。薛定諤的貓試圖通過擴大哥本哈根詮釋的規(guī)模來指出這個解釋到底有多奇怪。

你有一個裝著貓的盒子，盒子里有一個滿足這樣設(shè)定的處于疊加態(tài)的粒子：當(dāng)粒子處于一個狀態(tài)時，貓會中毒死亡；當(dāng)粒子處于另一個狀態(tài)時，貓會平安無事。

由于貓的存活狀態(tài)由粒子的狀態(tài)決定，那么如果粒子是處于疊加態(tài)，貓也一定處于疊加態(tài)。

圖二 哥本哈根詮釋

根據(jù)哥本哈根詮釋，貓實際上是既活又死的，當(dāng)你打開盒子看的時候，貓才會處于一個狀態(tài)。這里有一個關(guān)于觀測（observe）的重要問題：貓是觀測者么？

為了理解這個，需要先理解“觀測者”的概念。量子力學(xué)中的觀測者跟觀測者效應(yīng)緊密相關(guān)——其中觀測的行為必然會跟被觀測的物體存在相互作用，在相互作用中影響物體的特性。貓和打開盒子的人一樣有權(quán)被稱為觀測者，因為它一定可以根據(jù)是否存在有毒氣體來判斷粒子是否發(fā)生衰變。貓會持續(xù)地觀察盒子里面的空氣，會永久地將裝有毒氣體的小瓶坍塌到“破碎”或者“完整”的狀態(tài)。

這并不像看起來的那樣好理解。

這里，打開盒子的人和盒子里面貓都可以看做是觀測者或者非觀測者。按照這個邏輯，釋放毒氣的瓶子可以算作是勘測衰變的測量裝備，因此也可以被視為觀測者或是探測器么？它不是在不斷地使放射性同位素的波函數(shù)坍塌么？在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的哪個點上疊加被破壞了呢？

這引出了另一個問題：觀測者到底是什么？任意一個物體都可以被看做是觀測者嗎？如果一切都是觀測者，為什么我們會看到量子效應(yīng)？

為了解決這個問題，美國物理學(xué)家休·埃弗雷特（Hugh Everett）提出了一種美麗的詮釋，稱為量子力學(xué)的多世界詮釋（Many-Worlds Interpretation），該解釋于1957年首次發(fā)表在他的博士論文中。

圖三 休·埃弗雷特 （右二）（從左到右：查爾斯·米斯納、黑爾·特羅特、尼爾斯·玻爾、戴維·哈里森）

詮釋認(rèn)為，一般的波函數(shù)是客觀真實的，不存在波函數(shù)坍縮。這意味著量子測量的所有可能結(jié)果都在某些“世界”或宇宙中物理實現(xiàn)。因此，這個奇怪的想法從另一個角度看待整個思想實驗，表明量子力學(xué)中“薛定諤的貓”悖論是一系列事件，每一個量子事件都是分支點。即使在盒子打開之前，貓也有活著或者死亡的情況，但這些“活著”或者“死去”的貓在宇宙的不同分支中都是真實存在的，但彼此之間并不關(guān)聯(lián)。

圖四：由于兩個疊加和糾纏的量子力學(xué)狀態(tài)導(dǎo)致的宇宙分離

1935年，諾貝爾物理學(xué)得主、奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤提出的這一例證指出：量子理論者們認(rèn)為的微觀層面上物質(zhì)的性質(zhì)和行為，和普通人認(rèn)為的肉眼可見的宏觀層面上觀測到的物質(zhì)的性質(zhì)和行為之間，存在著不合邏輯的矛盾。

圖五 埃爾溫·薛定諤

多年以來，薛定諤的貓一直被用來類比闡述量子力學(xué)中新興理論間的差異。比如說在多世界詮釋理論中，貓既是死的又是活的，因為觀察者和貓代表兩種現(xiàn)實：一種的貓死了，另一種的貓活著。據(jù)說，薛定諤本人在晚年曾說過，他希望自己從未見過那只貓。