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，屬于每一個對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論，而今已是人們認(rèn)識量子理論的一個坐標(biāo)。

本文將從這只貓的由來出發(fā)，以這只貓帶來的種種困惑收尾，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（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)時看來簡直玄之又玄，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)波的價值，人們才開始認(rèn)真面對這一概念。而薛定諤（和狄拉克分別獨立地）寫出與實驗結(jié)果吻合的波動方程，才終于一錘定音地迫使學(xué)術(shù)界接受這個“毀三觀設(shè)定”：物質(zhì)粒子確實有波動性。

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

此后問題來了，那個曾被學(xué)術(shù)界拿來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，它是個什么波？不回答這個帶有玄學(xué)意味的問題，量子理論無法前進(jìn)。

多輪激烈的討論后，波恩給出一個非常違反直覺常識，卻最終被實驗驗證的答案：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，它就是粒子在某個位置被找到的概率。從這個回答出發(fā)，波恩、波爾和海森堡等人發(fā)展出了對物質(zhì)波的哥本哈根詮釋。

薛定諤和愛因斯坦對這個回答大為不滿，因為波可以疊加（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，例如在某一時刻，粒子在這里就不會在那里，自旋向上就不會向下。但由于波的疊加，粒子可以時刻處于既此又彼的狀態(tài)。

為了反對這個匪夷所思的答案，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簡單犀利的思想實驗——薛定諤的貓。

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

如果哥本哈根詮釋是正確的，那么在打開盒蓋進(jìn)行探測前，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)簦屓澜缑總€人都看到，原來概率波是這樣一個“怪物”。

薛定諤和愛因斯坦聯(lián)手放出重?fù)?，在全世界形成討論的余波持續(xù)至今，但勝利的卻是哥本哈根詮釋——實驗是唯一的裁判。接受了物質(zhì)波這個概念的沖擊后，物理學(xué)界不得不接受一個更加深刻的觀點：物質(zhì)粒子有波動性，因而可以是多種狀態(tài)（更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f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)識量子世界的最簡潔的切入點。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，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應(yīng)起來，如果用視覺常識來理解量子概念，可能產(chǎn)生諸多誤解困惑。為了將這只名貓說清楚，筆者選取了與這只貓相關(guān)的五個常見爭論點，（基于學(xué)術(shù)界主流認(rèn)識）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)分布在整個空間，其分布的形狀像波浪一樣，這樣叫作物質(zhì)波呢？其實在量子力學(xué)建立初期，人們就存在這樣的討論，但這個設(shè)想在理論上存在缺陷，也沒有得到實驗的證實。

當(dāng)前主流觀點認(rèn)為，物質(zhì)波刻畫的永遠(yuǎn)是一個完整的粒子，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)典軌道來描述，反而體現(xiàn)出波的某些特征，這是波動性。兩方面合起來就是物質(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已經(jīng)有了客觀結(jié)果，而打開盒子只是記錄下這個結(jié)果而已，所以是否應(yīng)該說貓“或死或活”更準(zhǔn)確呢？

這個認(rèn)識非常符合直觀常識，但存在一個關(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，就不能用這個結(jié)果來刻畫物質(zhì)波，因為這個結(jié)果只能數(shù)值相加，不再具有波的相干疊加性。

更簡單地說，上面的認(rèn)識中只有“概率”，沒有“波”，自然是偏頗的。只有接受了“被探測前粒子處于各種可能的疊加”這個設(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，對這個問題會形成更清晰的認(rèn)識。

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？

對量子體系的觀測當(dāng)然不是唯心的。最簡單的例子是電子雙縫干涉實驗，不論人眼是否觀察，接收屏上都有干涉條紋，因而量子觀測并不唯心。

回到這只貓，如果用定時器將盒子自動打開，再用生命檢測儀器把結(jié)果顯示出來，那么不論人是否觀看這個結(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到？

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

上述探測在現(xiàn)實技術(shù)上可行，但在這個實驗中卻不被允許。請注意，在這個思想實驗中，“盒子”有著超然的地位。

“除非打開，否則盒子內(nèi)部不可探測”這個條件，排除了上面對盒子的所有間接探測。正是這個苛刻的條件，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。

該實驗揭示的物理本質(zhì)是什么？

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

正因為間接探測盒子是完全可行的，才說明這個盒子并不屬于宏觀世界：人們永遠(yuǎn)造不出一個“無法”被探測內(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。

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，在世人對量子概念的幾個爭論點走走停停，僅浮光掠影地游覽了量子世界；離去此貓，面對親友相問，讀者朋友或許只留一句：景區(qū)沒啥，無非波的疊加。

但那只貓知道，量子理論的歷史遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有寫到終點。當(dāng)人們對量子世界的下一個認(rèn)識大突破來臨，這深邃黑盒中無形無狀的貓，又將如何與人對視呢？

（作者系理論物理學(xué)博士，長春工程學(xué)院講師）