这个问题有两部分:

  1. 「生死叠加状态」是什么,它和我们通常理解的经典状态有什么区别?
  2. 「打开盒子」的时候发生了什么?

薛定谔的猫在科学上有什么用(解读薛定谔的猫)(1)

我强烈建议大家把这两个问题分开来看,因为前者是非常成熟的量子力学的基础。说得不好听一点,没有一点功夫的人努力接受就好了,不要想着去推翻它。而后者是一个悬而未决的问题,称为量子测量诠释问题,好在它对理论预言并不产生什么影响,换句话说目前它是个「哲学」问题,所以你在不违背客观实验事实的基础上怎么瞎掰都行。

所以我这里不会解释第二个问题,大家有兴趣的可以去找找量子诠释相关的文章。

关于第一个问题,很多人说了,薛定谔的猫最早是为了揭示哥本哈根诠释的荒谬而被提出的,然而就像我说的,大家最后的结论是所谓「诠释」暂无客观的判别办法,也就是说即便薛定谔的猫也无法判哥本哈根诠释的死刑,换句话说就是,量子力学承认薛定谔猫态——生死叠加态的存在

薛定谔的猫在科学上有什么用(解读薛定谔的猫)(2)

问题的关键在于「叠加」。量子力学中的「叠加」态是没有经典对应的,它不会像你想象中的任何例子——任何科普中的比喻都是不恰当的,比如你考试卷的例子。理解这个概念需要你对「系统可能的状态」重新思考,一个变量(比如你的考试成绩)经典的物理状态可能是几个值(90分和91分),而量子力学中可能的物理状态则是这几个值张成的(复投影)线性空间,这样的状态不仅包含一组基(90分和91分)上的概率(比如20%和80%),甚至还有它们的相对相角,这显然已经不是经典的概率描述可以概括的。

理解这样一个东西,难点在于——如果你不用它去做计算,那么它的意义只依赖于测量诠释,不谈诠释的话你不理解它,而要谈诠释的话就会陷入无休止的哲学思辨中。这就是为什么物理学家面对这个问题常说「shut up and calculate」,只有深入计算后才能从诠释以外的角度体会叠加态的本质。所以我虽然给出了叠加态的概念,你仍然不知道它是什么,我也无法告诉你它是什么,我只能告诉你它不是什么。这也是为什么我在上面说你们努力接受就好了。

薛定谔的猫在科学上有什么用(解读薛定谔的猫)(3)

这样的状态对于微观粒子来说是常态,但当粒子数增加时系统会倾向于一组基,而基矢间的叠加变得不稳定——比如生与死这组基,也就是说宏观叠加态存在,但是系统很难被放到这样的态上去。目前的量子计算工程努力地构造「猫态」,也仅仅是得到几十或上百个粒子之间的纠缠(一种非定域的叠加),而真正的「宏观」则涉及阿伏伽德罗常数这么多的粒子。所以薛定谔猫态之所以荒谬,并不是因为它不可能存在,而是因为它难以实现以至于我们都没有见过

就好像经典物理中的低熵态,原则上是存在于相空间的,但是统计上它是极难发生的。当年发展出热力学的统计诠释时可能也有人说「为什么没有人见过盒子里的气体全部自动缩到了一个角落?」我认为薛定谔的猫也是类似的思想实验。

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