天弘忧配深度科普：神奇的“薛定谔的猫”，为何会存在“既死又活”的猫？

20 世纪初，量子力学悄然兴起，彻底颠覆了人们对微观世界的认知天弘忧配，为物理学带来了一场意义深远的革命。

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然而，在量子力学蓬勃发展的过程中，对于其基本原理的诠释，科学界却产生了严重的分歧，其中最著名的便是爱因斯坦与哥本哈根学派之间的激烈论战。

哥本哈根学派以玻尔、海森堡等人为核心，他们提出的不确定性原理和互补原理，构成了量子力学的哥本哈根诠释。

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不确定性原理指出，在微观世界里，我们无法同时精确测定一个粒子的位置和动量，这一原理表明微观粒子的行为具有内在的不确定性，其状态只能用概率波函数来描述；互补原理则强调，微观粒子的波动性和粒子性是互补的，在不同的实验条件下，微观粒子会表现出不同的特性，但这些特性不能同时被观测到。

爱因斯坦作为经典物理学的坚定捍卫者，他坚信世界是客观、确定且可预测的，对于哥本哈根学派所主张的量子力学不确定性观点，他难以认同。

爱因斯坦认为，量子力学的不确定性并非微观世界的本质，而是理论本身不完备的体现，他始终相信在量子世界的背后，一定存在着尚未被揭示的 “隐变量”，这些隐变量能够精确地描述微观粒子的行为，使量子力学成为一个完备的理论。

他曾形象地表述 “上帝不会掷骰子”，以此来表达自己对量子力学不确定性的质疑。

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在这样的学术背景下，薛定谔与爱因斯坦站在了同一阵营。

1935 年，薛定谔为了更生动、直观地揭示量子力学不确定性原理的荒谬之处，提出了 “薛定谔的猫” 这一思想实验。他希望借助这个实验，以宏观世界中人们熟悉的猫的生死状态，来类比微观量子世界中的不确定性现象，从而对哥本哈根学派的观点进行有力的反驳。

薛定谔认为，如果按照哥本哈根学派的理论，微观粒子可以处于叠加态，那么在这个思想实验中，猫就会出现既死又活的荒谬状态，这显然与人们的日常经验和常识相悖。

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薛定谔的猫这一思想实验的设定别出心裁又极具巧思，为人们理解量子世界的奇特现象提供了一个独特的视角。在这个实验中，实验装置主要由一个完全密闭的箱子构成，这个箱子仿佛一个与世隔绝的独立小世界，将实验中的各种元素与外界的干扰完全隔绝开来。

箱子里放置着一只活猫，它的生死成为了整个实验的焦点。与猫一同被安置在箱子里的，还有一个精密而关键的装置，这个装置包含了一个放射性物质、一个粒子探测器、一个连接着毒气瓶的开关以及一把锤子。

其中，放射性物质的特性在实验中起着决定性的作用。放射性物质具有一定的衰变概率，在某一特定的时间段内，它有可能发生衰变，也有可能保持稳定而不衰变。这种衰变的不确定性，正是量子世界不确定性的生动体现。

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粒子探测器被放置在一个能够精准捕捉放射性物质衰变迹象的位置，一旦放射性物质发生衰变，它就会立即释放出一个 α 粒子，而粒子探测器能够敏锐地感知到这个 α 粒子的出现。当粒子探测器检测到 α 粒子后，它会迅速触发一个信号，这个信号将传递给与之相连的开关。

开关在接收到信号后，会控制锤子的运动。如果开关被触发，锤子就会落下，精准地打碎装有剧毒物质的瓶子。一旦瓶子被打碎，剧毒物质就会迅速弥漫在整个箱子里，处于箱子中的猫在吸入这些剧毒物质后，将不可避免地走向死亡。

反之，如果放射性物质在规定时间内没有发生衰变，粒子探测器就不会检测到 α 粒子，开关也就不会被触发，锤子不会落下，毒气瓶保持完好无损，猫就能继续在箱子里健康地存活。

根据量子力学的理论，在没有对这个系统进行观测之前，放射性物质处于一种奇特的叠加态，它既处于衰变的状态，又处于不衰变的状态，这两种状态同时存在。

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由于猫的生死与放射性物质的衰变状态紧密相连，这种叠加态便进一步延伸到了猫的身上，使得猫也陷入了一种既死又活的叠加态。这种既死又活的叠加态，在宏观世界的常识中是完全无法想象和理解的，因为在我们的日常经验里，一个物体的状态是确定的，非此即彼，猫要么是活着的，要么是死去的，绝不可能同时处于两种相互矛盾的状态。

但在量子世界的奇妙规则下，这种看似荒谬的叠加态却成为了理论上的一种可能，这也正是薛定谔的猫这一思想实验的神奇与令人困惑之处。

面对薛定谔的猫这一思想实验所带来的挑战，哥本哈根学派从他们所秉持的量子力学不确定性原理和波函数坍缩的观点出发，对猫的 “既死又活” 状态给出了独特的解释。

哥本哈根学派认为，在微观世界中，粒子的状态本质上是不确定的，这种不确定性并非是由于人类认知的局限或测量技术的不足，而是微观世界的内在属性。

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在薛定谔的猫的实验里，放射性物质的衰变与否就是这种不确定性的典型体现。在没有对箱子内部进行观测时，放射性物质处于一种独特的叠加态，它同时包含了衰变和不衰变这两种相互矛盾的可能性。这种叠加态并非是我们日常生活中所理解的两种状态的简单混合，而是一种量子力学特有的、超越经典逻辑的状态。

根据哥本哈根学派的观点，不仅微观粒子可以处于叠加态，这种叠加态还可以通过实验装置的巧妙设计，延伸到宏观物体上，就如同实验中的猫。由于猫的生死与放射性物质的衰变状态紧密相连，当放射性物质处于衰变与不衰变的叠加态时，猫也相应地陷入了既死又活的叠加态。在他们看来，这种既死又活的叠加态在微观世界的量子规则下是完全合理的，它是微观粒子不确定性在宏观世界的一种奇特映射。

然而，当我们对箱子进行观测时，情况发生了戏剧性的变化。

哥本哈根学派提出了 “波函数坍缩” 的概念来解释这一现象。他们认为，观测行为本身具有一种特殊的作用，当我们试图观察箱子里的情况时，观测行为会与整个量子系统发生相互作用，导致系统的波函数瞬间坍缩。在波函数坍缩的瞬间，原本处于叠加态的放射性物质会随机地选择衰变或不衰变这两种状态中的一种，从而使得猫的状态也随之确定下来。我们最终观察到的猫，要么是活着的，要么是死去的，不再处于既死又活的叠加态。

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这种波函数坍缩的过程是瞬间发生的，而且是随机的，我们无法预先确定它会坍缩到哪一种具体的状态。

但薛定谔和爱因斯坦对哥本哈根学派的这种解释难以认同。他们坚信世界在本质上是客观、实在且确定的，微观世界也不应例外。

在他们看来，猫的生死应该是一个客观存在的事实，不应该依赖于人类的观测行为而发生改变。薛定谔提出这个思想实验的初衷，就是希望通过宏观世界中猫的直观生死状态，来揭示量子力学不确定性原理可能导致的荒谬结果。他认为，将微观世界的不确定性毫无限制地推广到宏观世界，得出猫既死又活的结论，是违背常理和逻辑的。

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爱因斯坦也对哥本哈根学派的观点提出了尖锐的批评，他认为量子力学的这种不确定性解释是不完备的，背后一定隐藏着尚未被揭示的物理机制，他始终相信存在一种更基本的理论，能够对微观世界的现象进行精确、确定的描述，而不是依赖于概率和不确定性。

除了哥本哈根学派的解释，科学界还涌现出了许多其他理论，试图对薛定谔的猫所呈现出的既死又活这一奇特状态给出合理的阐释，这些理论各自从不同的角度出发，为我们理解这一复杂的量子现象提供了多元的思考方向，但也都伴随着一定的合理性与争议点。

平行宇宙理论。

该理论认为，在我们打开箱子观测猫的瞬间，宇宙会发生一次奇妙的分裂。

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在其中一个平行宇宙里，猫是活着的；而在另一个平行宇宙里，猫则是死去的。这意味着，所有可能的量子态在不同的平行宇宙中都得以真实地实现，而我们所观测到的结果，仅仅是我们所处的这个特定宇宙中的一种可能性。

例如，当我们打开箱子看到猫是活的时，实际上在另一个与之平行的宇宙中，观测者看到的是一只死去的猫。这种解释巧妙地避免了波函数坍缩的难题，因为它认为所有的可能性都真实存在，而不是随机地坍缩到某一个确定的状态。然而，平行宇宙理论也面临着诸多质疑。由于目前我们无法直接观测到其他平行宇宙的存在，这使得该理论缺乏直接的实验证据支持，更多地停留在理论假设的层面。

此外，宇宙的无限分裂这一概念本身就极其难以想象和理解，它违背了人们对宇宙统一性和简洁性的传统认知，也引发了一系列关于宇宙演化和因果律的深层次哲学问题。

在对薛定谔的猫这一思想实验的长期探索与激烈争论中，贝尔不等式的出现，为这场旷日持久的学术纷争带来了重要的 “终极裁决” 。

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贝尔不等式由物理学家约翰・斯图尔特・贝尔于 1964 年提出，它是一个有关量子力学中是否存在完备局域隐变量理论的数学不等式。

从数学形式上看，贝尔不等式建立了一套可用于检验量子力学与定域性隐变量理论差异的标准。

在这个不等式中，通过对处于纠缠态的粒子进行不同方向的测量，并对测量结果的相关性进行分析和计算，如果实验结果满足贝尔不等式，那么就意味着微观世界可以用定域性隐变量理论来解释，爱因斯坦所坚持的定域实在论将得到有力支持；反之，如果实验结果违背贝尔不等式，则表明量子力学的非定域性和不确定性是正确的，微观世界的本质并非如经典物理学所描述的那样具有确定性和局域性。

自贝尔不等式提出以来，科学家们围绕它展开了一系列精心设计且不断完善的实验验证。

20 世纪 70 年代，实验技术的发展使得对贝尔不等式的实验检验成为可能。1982 年，阿斯派克特、达利巴德和罗哲等人完成了第一代贝尔实验。他们以钙原子单次跃迁中同时发射的反向运动的光子为研究对象，进行偏振测量。

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在实验中，他们将钙原子激发到特定能级，使其回落时释放一对光子对。这对光子会飞出 12 米远，在这个距离中间，一个偏振器会以平均 10 纳秒的速度改变一次方向，以此来测量光子的合作程度。整个实验持续 3 个小时，最终的实验结果完全符合量子力学理论，与隐变量理论相差 5 个标准方差，这一结果首次在较为严格的条件下证明了量子力学对纠缠态粒子的预测是正确的，而隐变量理论与之相悖。

总结

薛定谔的猫这一思想实验，虽然看似简单，开启了我们对量子世界探索的大门。它让我们深刻地认识到，量子世界充满了神奇和奥秘，与我们日常生活中的常识和直觉大相径庭。

尽管目前我们对量子世界的认识还存在诸多不足，但正是这些未知和挑战，激发着科学家们不断前进，去追寻真理，去揭开量子世界那神秘的面纱。

相信在不久的将来，随着科学技术的不断发展和我们对量子世界研究的不断深入天弘忧配，那些困扰我们已久的谜团终将被一一解开，我们也将更加深入地理解宇宙的本质和万物的运行规律。

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