走近量子纠缠(1)薛定谔的猫
要理解神秘的量子纠缠，首先要理解神秘的量子现象。
无论你研究什么行业，你大概都听说过奇妙的量子现象。如测不准原理、薛定谔的猫等等日常生活中看似不可思议的东西，其实都存在于微观的量子世界中。
很多人把听起来很奇怪的量子论当成天书，从而远离它。有人感叹:“量子力学太不可思议了，我不懂，晕！”
不懂量子力学，就会头晕。这是非常正常的反应。听听获得诺贝尔物理学奖的伟大物理学家费曼的名言。费曼说:“我想我可以有把握地说，没有人懂量子力学！”量子理论的另一位创始人尼尔斯·玻尔也说:“如果有人对量子理论不困惑，他就是不理解它。”。“既然费曼和玻尔都这么说，我就更不敢吹牛了。
所以，我们暂时不要指望‘理解’量子力学。这一系列文章的目的是使我们能够更多地了解量子力学。因为量子力学很神秘，但却是科学史上经过最精确检验的理论。它经历了100多年的艰难历史，达到了人类智慧旅程的最高成就。作为一个现代人，如果你对量子力学一点都不‘了解’，就好像你没有上过网，没有写过邮件一样，可以算是人生的一大遗憾。
刚才提到量子现象的时候，我们谈到了‘薛定谔的猫’，我们的讨论可以从这个开始。
E.薛定谔(1887-1961)是奥地利著名物理学家，量子力学的创始人之一。1933获得诺贝尔物理学奖。量子力学中描述原子、电子和其他微观粒子运动的薛定谔方程是
所以，首先我们需要知道，什么是‘叠加态’？
根据我们的日常经验，一个物体在某一时刻总会处于固定的状态。比如我说:我女儿现在在客厅，或者我说:我女儿现在不在客厅。无论是在还是不在，两个状态，必须是其中之一。但是，在微观量子世界，情况就不一样了。微观粒子可以处于所谓的‘叠加态’，这是不确定的。例如，电子可以同时位于两个不同的位置:A和B，即电子都在A中而不在A中..电子的状态有‘在场’和‘不在场’，两种状态按照一定的概率叠加。电子的这种混合状态被称为‘叠加态’。
聪明的读者会说:“我女儿这会儿要么在客厅，要么不在客厅。看一眼就清楚了。电子在A里，或者不在A里，你测量一下不就知道了吗？”没错。当我们测量电子的状态时，电子的叠加态不再存在，而是“坍缩”为“在A中”或“不在A中”，这是两种状态中的一种。但是，微观和宏观的区别在于观察之前。女儿不在客厅，在观察前就已经成为事实，不以‘看’或‘不看’为转移。但坍缩前的微电子状态是没有定论的，也不是坍缩决定的，直到测量出来。这就是微观世界量子叠加态的奇妙之处。
虽然量子现象看起来很神秘。而量子力学的结论早就被多方面的实验所证实，被学术界所接受，并应用于各个领域。量子物理学对我们的现代日常生活有着巨大的影响。基于此，电子革命和光学革命把我们带入了今天的计算机信息时代。可以说，没有量子力学，就没有今天的所谓‘高科技’产业。
如何解释量子力学的基本理论，还是见仁见智。这也深深困扰着它的创始人，包括伟大的爱因斯坦。微观叠加态的特征与宏观规律如此不同，以至于薛定谔等物理学家都想不通。所以薛定谔在1935发表了题为《量子力学的现状》的论文。在论文的第五节，薛定谔整理了一个“薛定谔的猫”的理想实验，试图把微观的不确定性变成宏观的不确定性，微观的困惑变成宏观的悖论，以引起大家的注意。果然！物理学家一直在争论这个悖论。
以下是‘薛定谔猫’的实验描述。
把一只猫放在一个封闭的盒子里，然后把盒子和一个装置连接起来，这个装置里面有核和有毒气体设施。想象这个原子核有50%的几率衰变。当它衰变时，它会释放出一种粒子，这种粒子会触发毒气设施，杀死猫。根据量子力学原理，这个原子核在不被观测时处于衰变和未衰变的叠加状态，所以可怜的猫相应地应该处于‘死’和‘活’的叠加状态。死了还是活着，死了还是活着，状态是不确定的，直到有人打开盒子去观察。
实验中的猫可以和微观世界中的电子(或原子)相提并论。在量子理论中，电子可以处于两种状态(0和1)的叠加状态，而不是固定状态。如果把叠加态的概念应用到猫身上，也就是说，叠加态的猫是半死不活，死而复生。
量子理论认为，薛定谔的猫如果不打开盖子观察，就是‘死’和‘活’的叠加。这只猫会一直处于同时是死是活的叠加状态。这与我们的日常经验严重相悖。一只猫，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死不活？不要小看这个听起来很荒谬的理想物理实验。它不仅在物理学上有重要意义，在哲学上也有重要意义。
说到哲学，聪明的读者又会笑了，因为在古代哲学思想中，这种似是而非、模棱两可的说法并不多见。这不就是辩证法的思想吗？你中有我，我中有你，一是二，二是一，二是一，天人合一，以此类推，如此而已。
这是真的，这也是为什么有人拿薛定谔的猫做比较:男女在开始恋爱之前，不知道结果是好是坏。这个时候，恋爱的结果可以看作是好与坏的混合叠加。如果你想知道结果，唯一的办法就是尝试，但是只要你尝试了，你就改变了原来的结果！
无论从人文角度如何解读和理解薛定谔的猫，人们还是觉得量子论听起来有点奇怪。有的读者可能会说:“你拖了我半天，我还是不懂量子力学！”
还好，刚才我们给读者打了预防针不是吗？没人懂量子力学，包括薛定谔自己！薛定谔的本意是用“薛定谔猫”实验的荒谬结果来嘲笑哥本哈根学派对量子力学的概率解释和薛定谔方程引入的“波函数”概念，但实际上，这个假设性的实验已经让薛定谔站到了自己基础理论的对立面。难怪物理学家会可笑地谈论薛定谔。
到目前为止，我们已经解释了很久薛定谔的猫实验的来龙去脉，但是还没有提到薛定谔的女朋友。那就赶紧补上这个八卦，免得让读者失望。
薛定谔应该有非凡的个人魅力，魅力四射，女朋友众多。否则，它怎么会启发纽约的剧作家马修·威尔斯(Matthew Wells)写一部舞台剧，名为《薛定谔的女朋友》(Schrodinger's女朋友)？
以下是这部舞台剧2001到2003年在旧金山和纽约演出时的剧照和海报。
薛定谔的女朋友是一部关于爱情、性和量子物理的另类浪漫喜剧。剧作家马修·威尔斯(Matthew Wells)从未接受过高中课程以外的科学教育，却痴迷于物理学的奥秘。他说:“我永远不会涉足数学，但我发现它背后的概念，愿景和类比，如此迷人！”"
舞台剧里有一段很有意思的话:“是涨落-粒子的二元性更难还是妻子-情人的二元性更难？”据说薛定谔有很多情妇和私生子，身边也有很多知己。薛定谔的女朋友像薛定谔的猫一样捉摸不定，薛定谔的婚恋观像他的物理理论一样卓尔不群。有人说薛定谔是个‘多情种子’式的人物。虽然他有很多情妇，但他真心实意地爱着一个女人。或许我们可以用量子力学的语言来打个比方:薛定谔的感情和性生活总是处于一个包括很多本征态的复杂叠加态。在一定的时间内，当叠加态‘坍缩’到某个本征态时，薛定谔就倒在了女朋友的怀里。
然而，在薛定谔的众多女友中，有一个很不寻常的神秘女人，她成为了这部舞台剧的女主角。
1925年圣诞节前，薛定谔像往常一样去美丽多雪的阿尔卑斯山度假，但这次陪他的不是妻子安妮，而是一位来自维也纳的神秘女友。薛定谔的女朋友很神秘，直到80多年后的今天，也没有人核实她的身份。她不是研究人员所知的薛定谔的情妇。无论如何，在这对夫妇的婚礼期间，神秘的女孩极大地启发了薛定谔，使他惊人地保持了一种极具创造力和洞察力的状态。因此，物理学家说，薛定谔的伟大工作是在他一生中一个充满激情的时期完成的。薛定谔本人并不否认这一点。他认为，通过观察这位引人注目的女性，他找到了困扰科学界的看似矛盾的波粒二象性的关键。果然，在接下来的一年里，薛定谔连续发表了6篇量子力学的主要论文，提出了著名的薛定谔方程。所以，我们在享受量子力学带来的辉煌科技成果的同时，也应该感谢这个神秘女孩的贡献。
总结一下，就是‘薛定谔的神秘女友’，激发了薛定谔的想象力和灵感，使他建立了微观世界粒子波函数所遵循的薛定谔方程。然后，薛定谔不同意哥本哈根对波函数的解释，设计了‘薛定谔的猫’的思想实验。用薛定谔自己的话说，他想用这个“魔鬼般的装置”让人闻出来。薛定谔说:你看，如果你把波函数解释为粒子的概率波，就会得出一个荒谬的结论:一只猫既是死的，又是活的。所以概率波的说法是站不住脚的！
这只猫真的让人毛骨悚然，相关的争论延续至今。就连当今伟大的物理学家霍金也曾愤怒地说:“我一听说薛定谔的猫，就跑去拿枪，想用枪打死它！”
在宏观世界里，死猫和活猫是不可能存在的，但是很多实验都证实了微观世界里叠加态的存在。总之，通过薛定谔的猫，我们知道了叠加态及其在测量时的坍缩。
叠加态的存在是量子力学最大的谜团，是量子现象之谜的根源，也是我们理解量子力学的关键。
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