有那么一只貓，它屬于薛定諤，屬于愛因斯坦，屬于物理學(xué)史，屬于每一個(gè)對(duì)量子理論懷有好奇幻想的人。

它犀利敏捷，直指核心，曾經(jīng)是物理學(xué)界初窺量子世界的一把鑰匙；它簡(jiǎn)單易懂，也不擺架子，各行各業(yè)的人們都其樂融融地為之辨析爭(zhēng)論，而今已是人們認(rèn)識(shí)量子理論的一個(gè)坐標(biāo)。

本文將從這只貓的由來(lái)出發(fā)，以這只貓帶來(lái)的種種困惑收尾，與讀者到量子領(lǐng)域一游。

薛定諤的貓，原本是薛定諤和愛因斯坦兩位量子力學(xué)的先驅(qū)者，為反對(duì)（當(dāng)前主流的）量子力學(xué)哥本哈根詮釋而聯(lián)手鑄就的一把思想武器。為了介紹這把武器，要先從量子力學(xué)的建立，尤其是物質(zhì)波說(shuō)起。

那年，愛因斯坦和普朗克等人論證了光具有波粒二象性。德布羅意受此啟發(fā)進(jìn)一步提出：組成物質(zhì)的基本粒子同樣具有波粒二象性；換言之，可以把物質(zhì)粒子看成某種波。

從這里開始，薛定諤的貓就已經(jīng)在隱隱孕育了。

物質(zhì)粒子怎么可能是波？這在當(dāng)時(shí)看來(lái)簡(jiǎn)直玄之又玄，因而學(xué)界的反應(yīng)極為冷淡。直到愛因斯坦注意到德布羅意的工作，敏銳地察覺物質(zhì)波的價(jià)值，人們才開始認(rèn)真面對(duì)這一概念。而薛定諤（和狄拉克分別獨(dú)立地）寫出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的波動(dòng)方程，才終于一錘定音地迫使學(xué)術(shù)界接受這個(gè)“毀三觀設(shè)定”：物質(zhì)粒子確實(shí)有波動(dòng)性。

可以說(shuō)，為發(fā)展物質(zhì)波這個(gè)量子理論核心概念，愛因斯坦和薛定諤有很大的功勞。

此后問題來(lái)了，那個(gè)曾被學(xué)術(shù)界拿來(lái)詰問德布羅意的問題，現(xiàn)在擺在了所有人面前——物質(zhì)粒子怎么可能是波，它是個(gè)什么波？不回答這個(gè)帶有玄學(xué)意味的問題，量子理論無(wú)法前進(jìn)。

多輪激烈的討論后，波恩給出一個(gè)非常違反直覺常識(shí)，卻最終被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的答案：這是概率波，描述粒子被在某種狀態(tài)下被“找到”的概率——當(dāng)考察粒子的位置時(shí)，它就是粒子在某個(gè)位置被找到的概率。從這個(gè)回答出發(fā)，波恩、波爾和海森堡等人發(fā)展出了對(duì)物質(zhì)波的哥本哈根詮釋。

薛定諤和愛因斯坦對(duì)這個(gè)回答大為不滿，因?yàn)椴梢辕B加（不妨類比兩圈水波在空間疊加），而概率波的疊加意味著，粒子可以部分處于某種狀態(tài)，部分處于另一種狀態(tài)。在直覺上，兩種狀態(tài)總是互斥的，例如在某一時(shí)刻，粒子在這里就不會(huì)在那里，自旋向上就不會(huì)向下。但由于波的疊加，粒子可以時(shí)刻處于既此又彼的狀態(tài)。

為了反對(duì)這個(gè)匪夷所思的答案，薛定諤和愛因斯坦兩位大師通過多番討論，最終由薛定諤提出了一個(gè)簡(jiǎn)單犀利的思想實(shí)驗(yàn)——薛定諤的貓。

實(shí)驗(yàn)大體是這樣的：在蓋好的盒子中，有放射性粒子、毒氣裝置和貓；一定時(shí)間后，放射性粒子概率性發(fā)生衰變，而毒氣裝置能探測(cè)到這次衰變并釋放毒氣將貓毒死；除非打開盒蓋，盒子內(nèi)的情形無(wú)法被外界探測(cè)。

如果哥本哈根詮釋是正確的，那么在打開盒蓋進(jìn)行探測(cè)前，放射性粒子處于既衰變又未衰變的疊加狀態(tài)。由于粒子的衰變直接導(dǎo)致貓的死亡，那么貓也就同時(shí)處于既死又活的狀態(tài)——不荒謬嗎？

這把思想武器用直指本質(zhì)的方式，把量子微觀變成日常直觀，不僅讓哥本哈根學(xué)派吃下重?fù)?，更讓全世界每個(gè)人都看到，原來(lái)概率波是這樣一個(gè)“怪物”。

薛定諤和愛因斯坦聯(lián)手放出重?fù)簦谌澜缧纬捎懻摰挠嗖ǔ掷m(xù)至今，但勝利的卻是哥本哈根詮釋——實(shí)驗(yàn)是唯一的裁判。接受了物質(zhì)波這個(gè)概念的沖擊后，物理學(xué)界不得不接受一個(gè)更加深刻的觀點(diǎn)：物質(zhì)粒子有波動(dòng)性，因而可以是多種狀態(tài)（更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f(shuō)是本征態(tài)）疊加并存的。在理解了態(tài)疊加原理后，物理學(xué)終于邁向了更遠(yuǎn)的領(lǐng)域。

在這個(gè)過程中，薛定諤的貓從攻擊哥本哈根詮釋的武器，變成了物理學(xué)家和其他所有人認(rèn)識(shí)量子世界的最簡(jiǎn)潔的切入點(diǎn)。其既死又活的狀態(tài)也不再是謬論，反而體現(xiàn)了量子世界的本質(zhì)特性。

從科普的角度說(shuō)，薛定諤的貓通過展示自身的怪誕，向人們傳達(dá)了這樣的信息：量子概念很難與宏觀直覺對(duì)應(yīng)起來(lái)，如果用視覺常識(shí)來(lái)理解量子概念，可能產(chǎn)生諸多誤解困惑。為了將這只名貓說(shuō)清楚，筆者選取了與這只貓相關(guān)的五個(gè)常見爭(zhēng)論點(diǎn)，（基于學(xué)術(shù)界主流認(rèn)識(shí)）略加辨析。

物質(zhì)波的物理圖像是什么？

從直覺理解物質(zhì)粒子的波，可能產(chǎn)生這樣的誤解：是不是粒子彌散開，連續(xù)分布在整個(gè)空間，其分布的形狀像波浪一樣，這樣叫作物質(zhì)波呢？其實(shí)在量子力學(xué)建立初期，人們就存在這樣的討論，但這個(gè)設(shè)想在理論上存在缺陷，也沒有得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。

當(dāng)前主流觀點(diǎn)認(rèn)為，物質(zhì)波刻畫的永遠(yuǎn)是一個(gè)完整的粒子，具有完整粒子的質(zhì)量、電荷等屬性，不是彌散分布的，這是顆粒性；只不過其傳播方式不能用經(jīng)典軌道來(lái)描述，反而體現(xiàn)出波的某些特征，這是波動(dòng)性。兩方面合起來(lái)就是物質(zhì)波的“波粒二象性”。

為什么是既死又活的貓？

很多人存在這樣的困惑：打開盒子前的瞬間，放射性粒子是否衰變，換言之貓的死活其實(shí)已經(jīng)有了客觀結(jié)果，而打開盒子只是記錄下這個(gè)結(jié)果而已，所以是否應(yīng)該說(shuō)貓“或死或活”更準(zhǔn)確呢？

這個(gè)認(rèn)識(shí)非常符合直觀常識(shí)，但存在一個(gè)關(guān)鍵的問題，那就是如果放射性粒是否衰變已經(jīng)形成客觀結(jié)果，就不能用這個(gè)結(jié)果來(lái)刻畫物質(zhì)波，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果只能數(shù)值相加，不再具有波的相干疊加性。

更簡(jiǎn)單地說(shuō)，上面的認(rèn)識(shí)中只有“概率”，沒有“波”，自然是偏頗的。只有接受了“被探測(cè)前粒子處于各種可能的疊加”這個(gè)設(shè)定，才能超越“概率”，完整地理解“概率的波”。

如果讀者有興趣閱讀量子力學(xué)教材中關(guān)于波函數(shù)的論述，對(duì)這個(gè)問題會(huì)形成更清晰的認(rèn)識(shí)。

量子力學(xué)唯心嗎？

如果只有打開盒子才能真正確定貓的死活，那么貓的死活是人唯心決定的嗎？

對(duì)量子體系的觀測(cè)當(dāng)然不是唯心的。最簡(jiǎn)單的例子是電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，不論人眼是否觀察，接收屏上都有干涉條紋，因而量子觀測(cè)并不唯心。

回到這只貓，如果用定時(shí)器將盒子自動(dòng)打開，再用生命檢測(cè)儀器把結(jié)果顯示出來(lái)，那么不論人是否觀看這個(gè)結(jié)果，貓都解除了“既死又活”的狀態(tài)，坍縮到死或活的確定結(jié)局。

貓是否可以被間接探測(cè)到？

上面說(shuō)到生命探測(cè)儀，那么是否可以用這類儀器觀測(cè)盒子的震動(dòng)、紅外特性、二氧化碳排放等方式，隨時(shí)監(jiān)測(cè)貓的死活呢？這樣一來(lái)貓的死活就是隨時(shí)確定的，不再是既死又活的怪貓。

上述探測(cè)在現(xiàn)實(shí)技術(shù)上可行，但在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中卻不被允許。請(qǐng)注意，在這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)中，“盒子”有著超然的地位。

“除非打開，否則盒子內(nèi)部不可探測(cè)”這個(gè)條件，排除了上面對(duì)盒子的所有間接探測(cè)。正是這個(gè)苛刻的條件，保障其內(nèi)部粒子可以被刻畫為概率波，進(jìn)而讓貓的死與生具有疊加的特性。

該實(shí)驗(yàn)揭示的物理本質(zhì)是什么？

通過上一個(gè)問題的答案，我們可以認(rèn)識(shí)到這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的核心并不是貓，而在于盒子；貓可以替換為任何生物或者狀態(tài)參數(shù)，而對(duì)盒子的規(guī)定不能更改。換言之，薛定諤貓的本體其實(shí)是盒子。

正因?yàn)殚g接探測(cè)盒子是完全可行的，才說(shuō)明這個(gè)盒子并不屬于宏觀世界：人們永遠(yuǎn)造不出一個(gè)“無(wú)法”被探測(cè)內(nèi)部的盒子，它只能是思想虛構(gòu)的產(chǎn)物。其被虛構(gòu)出來(lái)就帶有宏觀世界所不具有東西，那是量子世界的本質(zhì)特性：其內(nèi)部保障了概率波的疊加。

換言之，薛定諤的貓本質(zhì)上是以宏觀現(xiàn)實(shí)中并不存在的量子黑盒為媒介，將量子世界的基本狀態(tài)——波的疊加——在直觀上展示出來(lái)。

至此，我們追蹤這只貓的足跡，一路看過量子力學(xué)史的若干節(jié)點(diǎn)，在世人對(duì)量子概念的幾個(gè)爭(zhēng)論點(diǎn)走走停停，僅浮光掠影地游覽了量子世界；離去此貓，面對(duì)親友相問，讀者朋友或許只留一句：景區(qū)沒啥，無(wú)非波的疊加。

但那只貓知道，量子理論的歷史遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有寫到終點(diǎn)。當(dāng)人們對(duì)量子世界的下一個(gè)認(rèn)識(shí)大突破來(lái)臨，這深邃黑盒中無(wú)形無(wú)狀的貓，又將如何與人對(duì)視呢？

（作者系理論物理學(xué)博士，長(zhǎng)春工程學(xué)院講師）