為什么我們永遠養不活一只“薛定諤的貓”？

薛定諤說，一只貓可以同時死了又活著。聽起來像在開玩笑，但物理學家都當真了。這是量子力學最出名也最讓人抓狂的悖論之一。這只“死活不明”的貓，到底藏著什么邏輯？

量子力學的經典悖論

1935年，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤提出了一個思想實驗：設想有一只貓被關在一個封閉的盒子里，盒子里放著一瓶毒氣，毒氣是否釋放由一個放射性原子是否衰變決定，而這個原子是否衰變，是一種“量子事件”。

問題就出在這個原子上。根據量子力學的哥本哈根解釋，在我們沒有打開盒子之前，原子既處于衰變狀態，也處于未衰變狀態，是疊加的。而貓的生死，取決于原子的狀態。如果原子疊加，那貓也必須是“活”和“死”的疊加狀態，也就是既活著，也死了，直到你打開盒子，觀察它。

為了更好地理解這個悖論，我們可以用一個“拋硬幣”的類比。你拋出一枚硬幣，用手蓋住。在你抬手看之前，硬幣的結果（正面或反面）雖然是“未知”的，但它是“確定”的，早已存在于那里。你的“看”，只是發現了一個既定事實。

但在量子世界里，情況截然不同。那個決定貓生死的放射性原子，就像一枚“量子硬幣”。在你打開盒子“看”之前，它并非“已經衰變”或“尚未衰變”，而是同時處于“正在衰變”和“沒有衰變”這兩種狀態中。你的觀察行為，不像是在發現結果，而像是在迫使這枚“量子硬幣”瞬間“決定”自己到底是哪一面。

這個設想背后的物理模型是明確的：微觀粒子，比如一個放射性原子，確實可以處于“疊加態”——比如既衰變也未衰變。但把這個狀態放大到宏觀世界，也就是那只貓的生死狀態，也一并疊加，這就是問題的核心。你可以用數學描述它，但你真能接受現實中有一只既死又活的貓嗎？

說到底，這是在挑戰一個根本性的問題：我們能不能接受“現實”這件事，在未觀察前根本不存在確定性？

“疊加態”是量子世界的基本運行方式

我們得承認，在微觀世界中，“既是這樣，又是那樣”的狀態并不是異想天開，而是被實驗反復驗證的真現象。

要理解“疊加態”有多真實，我們再來打個比方：想象你有一團濕泥巴，和你面前一道有兩條縫隙的墻。

如果你一次次地把泥團扔向墻，它要么從左邊縫穿過去，在背后的擋板上留下一個泥點；要么從右邊縫穿過去，留下一個泥點。最終，擋板上會聚集兩坨泥巴印。這是經典粒子的行為，有且只有一個路徑。

但如果你用“水波”來代替泥團呢？水波會同時通過兩條縫隙，穿過去的兩列波會相互干涉，在擋板上形成一道道明暗相間的美麗條紋。這是波的行為，它同時通過了兩條路徑。

這就是最經典的“雙縫干涉實驗”。早在1801年，托馬斯·楊就發現光通過兩道縫會產生干涉圖樣，說明光具有波動性。可到了1927年，美國物理學家戴維森和革末在實驗中發現，單個電子通過雙縫，也會呈現干涉圖樣。

這意味著什么？那個電子，表現得不像一顆經典的“泥丸子”，只走一條縫；它表現得像一團“概率波”，同時通過了左縫和右縫，自己和自己發生了干涉。這說明，哪怕只發射一個電子，它也“自己干擾自己”，表現出像波一樣的行為。

這意味著什么？電子在通過雙縫之前，并沒有走哪一條縫，而是以一種數學上可以描述的“疊加態”同時走過了兩條路徑。只有當你試圖測量它走哪條縫時，它才“選擇”一個路徑。否則，它就維持在兩種可能性并存的狀態。

這種狀態不是想象，它有真實可測的數學表達方式。量子力學用“波函數”描述粒子的狀態，而波函數的核心特征就是疊加性。更關鍵的是，這種疊加并不是模糊不清，而是一種確定的概率結構，直到你進行觀察，波函數才坍縮，概率才變成現實。

所以，薛定諤的貓其實不是一個“貓的問題”，而是當微觀的不確定被放大到宏觀時，我們的世界觀是否還成立的問題。如果一個粒子能疊加，那一只貓為什么不行？這就是量子邏輯最令人不安的地方：它在數學上成立，但在人類直覺上完全說不通。

真實世界里有“既死又活”的貓嗎？

你可能會問，這只是思想實驗，現實世界里真的有“薛定諤的貓”嗎？還真有科學家嘗試把這個問題變成實驗。

2010年，耶魯大學的研究團隊首次用超導電路系統制造出一個人工“量子貓態”。他們將一個微小的超導腔體置于極低溫環境下，使其可以同時維持“電流順時針流動”和“逆時針流動”這兩種狀態。這兩種狀態對應于經典世界的“生”和“死”，而它們在實驗中被同時測得。

更驚人的是，這種“貓態”并不只活在實驗室里。2016年，法國巴黎薩克雷大學的研究團隊將這個“量子貓”延展到了光子層級，實現了在兩種光波相位之間的量子疊加態，并維持了數百微秒的穩定性。在這個時間尺度里，光既處于一個相位，也處于另一個相位，直到被觀測。

這些實驗表明，薛定諤的貓不再只是一個思想實驗，它已經成為量子控制和量子計算的技術前沿。谷歌、IBM和中國科大等機構都在探索如何穩定地制造和操控“量子疊加態”，這正是實現真正量子計算所必須突破的核心障礙。

如果說量子世界允許疊加態，那為什么我們在現實中從沒見過“半死不活”的貓？這不是因為它不存在，而是因為宏觀世界的“退相干”機制會迅速把疊加態打回經典狀態。

當一個粒子處于疊加態時，只要它與外界發生哪怕極其微弱的相互作用，這種疊加就會瞬間坍縮。這叫“量子退相干”。研究表明，在常溫常壓下，一個電子的疊加態在不到一皮秒（10?12秒）內就會坍縮。

而一個像貓這樣的宏觀系統，其與周圍環境的耦合極其復雜，任何一個空氣分子的撞擊、一個紅外光子的照射，都會立即把它的狀態“拉回現實”。

這也是為什么量子實驗必須在接近絕對零度的真空中進行，才能維持疊加態。2018年，MIT的一個實驗室設法讓一個由數千個原子組成的玻色-愛因斯坦凝聚體維持疊加態達到了2.1秒，但這是在極端條件下才可能實現的。

所以，薛定諤的貓之所以不會出現在你家陽臺上，不是因為物理原理不允許，而是因為現實環境太吵了，貓根本撐不到你打開盒子。

寫在最后

在我看來，薛定諤的貓提醒我們，現實世界遠比我們以為的復雜。它不只是“是什么”，更是“被誰、怎么觀察”之后才決定是什么。這場由一只貓引發的思考，至今仍在深刻地影響著我們的世界觀。