量子力学中的薛定谔猫怎么了？
什么是薛定谔猫？这还得从头说起。e .薛定谔(1887-1961)奥地利著名物理学家，量子力学的创始人之一。他以1933获得诺贝尔物理学奖。量子力学是一种描述原子、电子和其他微观粒子的理论。它所揭示的微观规律与日常生活中看到的相似。微观粒子在所谓“叠加态”的状态是不确定的。比如电子可以同时位于几个不同的地方，在被观察和测量(观测)之前不会出现在某个地方。如果这种情况发生在宏观世界的日常生活中，就好比:我在家里的什么地方是不确定的。你看我的时候，我突然出现在某个地方——客厅、餐厅、厨房、书房或者卧室。在你看我之前，我在家里像一朵云一样是隐形的，在墙壁间徘徊。这种“神奇”在普通人看来很可笑，薛定谔等物理学家也想不通。于是薛定谔编造了这个悖论来吸引眼球。果然！物理学家至今争论不休。
实验内容
把一只猫放在一个封闭的盒子里，然后把盒子连接到一个装有放射性原子核的实验装置和一个充满有毒气体的容器上。想象一下，这个放射性原子核有50%的概率在一个小时内衰变。如果它衰变，它会发射出一种粒子，发射出的粒子会触发实验装置打开装有有毒气体的容器，从而杀死猫。根据量子力学，在没有观测到的情况下，原子核处于衰变和未衰变的叠加状态。但如果一小时后打开盒子，实验者只能看到“衰变核和死猫”或“未衰变核和活猫”两种情况。薛定谔在1935发表了题为《量子力学的现状》的论文。在论文的第五部分，薛定谔描述了常被视为噩梦的猫实验:哥本哈根学派说，在测量之前，一个粒子的状态是模糊的，处于各种可能性的混合叠加状态。例如，放射性原子何时衰变完全是随机的。只要没有观测，就会处于衰变/非衰变的叠加状态，只有实际测量时才会随机选择一种状态出现。所以让我们把这个原子放在一个不透明的盒子里，让它保持这个叠加态。现在薛定谔想象出一种结构巧妙的精密装置。每一次原子衰变释放出一个中子，都会引发一系列的连锁反应，最后的结果就是打碎盒子里的一个毒气瓶，同时盒子里还有一只可怜的猫。事情是显而易见的:如果原子衰变，毒气瓶将被打破，猫将被毒死。如果原子不衰变，那么猫就活得很好。这个理想实验的巧妙之处在于，通过“探测器-锤子-毒瓶”的因果链，似乎将铀原子的“衰变-未衰变叠加态”与猫的“死-活叠加态”联系起来，使量子力学的微观不确定性变成宏观不确定性；微观的混沌变成宏观的荒谬——猫不是死就是活，不可能同时是死的和活的！难怪英国著名科学家霍金听到薛定谔的猫悖论说:“我去拿把枪把猫打死！”"
薛定谔的猫的疑惑
如果不打开密室的盖子，根据我们在日常生活中的经验，可以断定这只猫不是死了就是活了。这是她的两个本征态。但是，如果用薛定谔方程来描述薛定谔猫，只能说她处于一种生与死的叠加状态。只有揭开盖子，我们才能确切地知道猫是死是活。此时，猫的波函数立即从叠加态收缩到某个本征态。量子论认为，不打开盖子观察，永远不知道猫是死是活，她永远处于半死不活的叠加状态。这严重违背了我们的日常经验。我们要么死，要么活。怎么才能做到不生不死？薛定谔讽刺地说:根据量子力学的解释，盒子里的猫处于“死-活叠加态”——既死又活！等到你打开盒子，看一眼猫，再决定它的生死。(请注意！这不是发现，而是决定。只看一眼就致命！正如哈姆雷特王子所说:“生存还是毁灭，这是一个问题。”只有当你打开盒子，叠加态突然结束(用数学术语来说就是“坍缩”)，哈姆雷特王子的犹豫才最终结束，我们才知道猫的确定状态:死或活。哥本哈根的概率解释的好处是只有一个结果，和我们观察到的结果一致。但是有一个很大的问题:它要求波函数突然坍缩。但是物理学中没有公式可以描述这种坍缩。尽管如此，出于实用主义的考虑，物理学家们早已接受了哥本哈根的解释。付出的代价是:违反薛定谔方程。难怪薛定谔一直耿耿于怀。
自然推理
当它们都被锁在盒子里时，原子处于衰变/不衰变的叠加态，因为我们没有观测到它。因为原子的状态不确定，猫的状态也不确定。只有当我们打开盒子看一看，事情才最终决定:要么这只猫死在盒子里，要么它活蹦乱跳。问题是，在我们打开盒子之前，猫是什么状态？似乎唯一的可能就是它和我们的原子一样处于叠加态，猫被夹在了一个死/活的混合物里。一只猫同时死了又活着？处于不死不活的叠加状态？这和常识冲突太多，同时从生物学角度来说也是奇谈怪论。如果一只活生生的猫从箱子里出来，如果它会说话，会描述死/活叠加的奇怪感觉吗？恐怕不太可能。换句话说，“薛定谔猫”的概念是为了解决爱因斯坦相对论即平行宇宙理论带来的祖母悖论而提出的。薛定谔的猫悖论其实提出了一个很重要的问题:量子力学的观测是什么？观察或测量都与人的主观性有关，人在盒子之外，需要打开盒子才能决定猫的死活。大家都知道，盒子里的猫的生死是由铀的衰变决定的——猫在衰变前是活的，衰变后就死了，与是否有人打开盒子进行观察无关。所以问题就出在观察的主观性上，我们要朝这个方向去深究。微观观察不同于宏观观察。宏观观察对被观察对象没有影响。俗话说“看一看总公司。”意思是对你看到的东西没有影响，不用担心。微观观察对被观察对象有影响，会引起变化。以观察到的电子为例，只有照明才能看到。光的最小单位光子能量虽然小，但不为零，光子照在被观察的电子上，对电子影响很大。所以看一眼微世界也会惹事！根据量子力学，观测结果改变了被观测对象的状态:某个状态从原来不确定的叠加态中跳出来。进一步考察，观测无非是观测手段(如光子)与被观测对象(如电子)的相互作用，与观测者没有必然联系，观测者可以用探测器等仪器代替。经过几十年的探索，物理学家们终于认识到，在从叠加态到确定态的转变中，观测曾经扮演的角色应该被相互作用所取代，这种作用不仅更普遍，也更客观。说到薛定谔的猫悖论，完全可以排除人的主观因素——猫的生死不是人开箱看一眼就能决定的。读者会说:“不就是一只想象中的猫吗？让霍金开枪打死他。”事情没有这么简单，不然很多物理学家不会这么勤快。薛定谔的猫佯谬引出了一个更深层次的问题:大量由原子和分子组成的有机体与这些微观粒子所遵循的量子力学规律之间有什么关系？这不仅是一个重要的理论问题，而且具有现实意义。比如，自我意识的机制至今还是一个未解之谜，有人认为可能与量子力学或者更深层次的微观规律有关。再比如思考过程中的“顿悟”。会不会和前面提到的“某个态跳出了原来的不确定叠加态”有关？也可能与生命的起源、物种的变异、光合作用的机制等等有关。总之，生命的秘密，思维的奥秘，不可能与量子力学定律无关。难怪薛定谔后来对生命科学感兴趣。从65438年到0946年，他写了名著《人生是什么》，提出了一些独到的见解。遗憾的是，在他的有生之年，这只可怜的盒子里的猫还是默默无闻。
后续研究
物理是实验科学，一切都要靠实验来判断。更早的一批关于薛定谔猫的实验，是将处于叠加态的单个原子或分子从周围环境中隔离出来，然后以可控的方式与之相互作用，观察其变化。发现关键在于环境的相互作用，导致原来的量子叠加态转变为经典的确定性态。但把这些主体当成薛定谔猫，就过于简单化了。单个原子或分子离薛定谔猫很远。1996年5月，美国科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所(NIST)的门罗等人用单个铍离子制作了一只“薛定谔的猫”，并拍了快照。发现铍离子在第一个空间位置处于自旋向上状态，而在第二个空间位置处于自旋向下状态，两个状态相差80纳米！(1纳米是1米的十亿分之一)——这在原子尺度上是一个巨大的距离。想象一下这个铍离子是灵媒大师，同时出现在纽约和喜马拉雅。一个是他正从摩天大楼的顶部跳伞。而另一个正在向雪山之巅攀登！——量子的这种“哲基尔博士和海德先生”特征，在物理学上被称为“量子相干”。在杨氏早期的双缝实验中，单个光粒子以美丽的波粒二象性同时穿过两个狭缝，在观察屏上产生了美丽的明暗相干条纹。薛定谔的猫是他在1935提出的一个关于量子力学的悖论。多年来，许多物理学家绞尽脑汁试图解决这个悖论。显然，一只死了又活着的猫是荒谬的。薛定谔想解释的物理问题是宏观世界是否也遵循适用于微观尺度的量子叠加原理。“薛定谔猫”悖论巧妙地将微观放射源与宏观猫联系起来，旨在否定宏观世界量子叠加的存在。但是随着量子力学的发展，直到最近一系列巧妙的实验，这个问题才逐渐浮出水面。2000年7月，《自然》杂志报道了最新的实验结果。这次在《自然》杂志上报道的实验与上面提到的不同。纽约州立大学石溪分校J. R. Friedman等人使用的“薛定谔猫”并不是单个粒子，而是在绝对零度附近的超导回路中由数十亿对电子组成的超导电流。在最新一期的《自然》杂志上，美国国家标准与技术研究所的赖·布维里(Lai Bouverie)等人表示，他们实现了粒子更多、持续时间最长的“薛定谔猫”态。在实验中，研究人员每隔几微米将铍离子“固定”在一个电磁场陷阱中，然后用激光将它们冷却到接近绝对零度，并分三步操纵它们的运动。为了让尽可能多的粒子尽可能长时间地实现“薛定谔猫”态，研究人员一方面提高激光器的冷却效率，另一方面让电磁场阱从离子振动中吸收尽可能多的热量。最后，他们在50微秒内使6个铍离子同时顺时针和逆时针自旋，实现了两个相反量子态的等量叠加和纠缠，即薛定谔猫态。实验表明，这种由大量粒子组成的宏观量子系统也可以处于叠加态——相当于薛定谔猫的“死-活叠加态”。当然，由几十亿对电子组成的超导电流无法与由几亿个原子组成的猫相比，但与单个原子相比，这是一大进步。于是有人惊呼“薛定谔的猫变胖了！”“奥地利因斯布鲁克大学的研究人员也在同一期《自然》杂志上报告说，他们在一个八离子系统中实现了“薛定谔猫”态，但维持时间略短。科学家表示，“薛定谔猫”态不仅具有理论研究意义，还具有实际应用的潜力。例如，多粒子“薛定谔猫”态系统可作为未来高容错量子计算机的核心部件，也可用于制造原子钟、干涉仪等极其灵敏的传感器和精密测量设备。下一步是用真猫做实验吗？不会吧！首先，它不能与周围环境隔绝——一只放在真空中的猫很快就会死去。其次，与绝对零度附近的超导电流不同，室温下的cat根本不是宏观量子系统，怎么可能叠加呢？而且，没必要做这样的实验。根据现有的实验结果，物理学家已经能够解释为什么薛定谔的猫不能有符合量子力学的“死-活叠加态”。