物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（1887～1961）發(fā)現(xiàn)了量子理論的基本方程——“波動(dòng)方程”，并于1935年提出了后來(lái)被稱(chēng)為“薛定諤的貓”的著名思想實(shí)驗(yàn)。

1、處于疊加態(tài)的貓

首先，解釋一下薛定諤的貓的設(shè)定。一個(gè)鐵箱中裝著貓和毒氣發(fā)生器。毒氣發(fā)生器的開(kāi)關(guān)與放射性物質(zhì)及輻射探測(cè)器連在一起，一旦檢測(cè)到放射性原子發(fā)出的輻射，就會(huì)產(chǎn)生毒氣毒死貓。假設(shè)該原子在1小時(shí)內(nèi)發(fā)生衰變并產(chǎn)生輻射的概率為50%。

一小時(shí)后，該原子有50%的可能性發(fā)生了衰變。根據(jù)量子理論，這時(shí)原子處于未衰變和已衰變的疊加態(tài)。而且，如果量子理論的規(guī)則能夠嚴(yán)格適用于箱子內(nèi)部，那么，貓也會(huì)處于還活著的狀態(tài)和已經(jīng)死亡狀態(tài)的疊加態(tài)，在觀測(cè)者打開(kāi)箱子進(jìn)行觀測(cè)之前，不能確定貓是活著還是死了。在觀測(cè)的瞬間，原子就會(huì)坍縮為已衰變的狀態(tài)或未衰變的狀態(tài)，貓的生死也會(huì)坍縮為還活著或已經(jīng)死亡。

誰(shuí)也沒(méi)有見(jiàn)過(guò)活著和死了的疊加貓，即生死疊加的奇怪狀態(tài)，這就像是悖論。因此，提出這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的薛定諤本人也稱(chēng)之為“完全滑稽的例子”。之所以得出如此可笑的結(jié)論，是因?yàn)楣适碌氖裁吹胤接绣e(cuò)誤嗎？

2、量子理論的原理并不矛盾

薛定諤的貓?zhí)岢隽艘粋€(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——微觀物體的物理定律，即量子理論的規(guī)則可以無(wú)限應(yīng)用于宏觀世界嗎？薛定諤想說(shuō)的是，無(wú)論態(tài)的疊加還是狀態(tài)因觀測(cè)而坍縮，都是在微觀世界里成立的規(guī)則，但如果硬要將其應(yīng)用于貓這樣的宏觀物體上，就會(huì)得出這種荒謬的結(jié)論。

然而，現(xiàn)在人們認(rèn)為這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)與量子理論的框架并不矛盾。根據(jù)量子理論，并未發(fā)現(xiàn)活貓與死貓的疊加態(tài)有什么地方不符合邏輯。

不過(guò)，薛定諤的貓能否真正實(shí)現(xiàn)則是另外一個(gè)問(wèn)題。眾所周知，態(tài)疊加很難維持，很容易因熱和粒子之間的碰撞等相互作用而坍縮。測(cè)定對(duì)象越大越復(fù)雜時(shí)，粒子之間的相互作用就越多，維持疊加態(tài)就會(huì)變得極其困難。

要想實(shí)現(xiàn)活貓與死貓的疊加，必須達(dá)到極高的實(shí)驗(yàn)精度，能夠精準(zhǔn)控制構(gòu)成貓的所有原子、分子、電子以及釋放和吸收的光子。目前的觀點(diǎn)是，如果能夠達(dá)到這種實(shí)驗(yàn)精度，薛定諤的貓的實(shí)驗(yàn)在原理上也是可以實(shí)現(xiàn)的。

量子的世界非常神奇，除了“薛定諤的貓”，本期特輯還有很多包含矛盾的悖論，比如“在‘量子俄羅斯輪盤(pán)賭’中一定有辦法幸存下來(lái)？”“墜入黑洞的信息會(huì)永遠(yuǎn)消失嗎？”......如果你想了解更多來(lái)自微觀世界的不可思議，歡迎閱讀《科學(xué)世界》2025年第12期特輯部分——《量子悖論》。

本文摘編自雜志2025年第12期，文章內(nèi)容略有刪改。

實(shí)習(xí)編輯 | 唐一菲