在科學構建的理論體系中，我們不屬於這個物質的世界。我們不在這個世界中，在世界之外，我們只是世界的觀察者。而認為我們在這個世界的原因是我們的身體在這個世界，不僅僅我的身體，我周圍的朋友、貓、狗、房子和所有的生物都在這個世界裡，這也是我跟他們交流的唯一途徑。
—— 埃爾溫·薛定諤（1887–1961）
圖一 薛定諤方程
量子力學中有許多歷史悠久的思想實驗，其中大多數都是用來指出量子力學中的破綻。理論物理學家、量子力學的先驅之一埃爾溫·薛定諤設想了這樣一個思想實驗：
把一隻貓關在裝有放射源及有毒氣體的封閉容器裡。放射源在單位時間內有一定的機率會發生衰變，當檢測到放射源衰變時，有毒氣體就會釋放，貓就會死；如果放射源沒有發生衰變的話，貓就存活。
量子力學中的哥本哈根詮釋（Copenhagen interpretation）指出：物理系統的屬性並不是確定的，只能用量子力學的機率術語來衡量系統的屬性，而且測量的行為會對系統產生影響，造成機率集縮小到許多可能值中的一個，這種情況被稱為波函式坍縮（wave-function collapse）。
舉例來說：在你看月亮之前，月亮是任意可能的狀態，比如說滿月、半月、新月等。但是隻要你一看，月亮就會坍塌到一種可能的狀態。因此，觀測這種手段，在量子力學中扮演著重要的角色。考慮上面的思想實驗，這意味著過了一段時間之後，貓同時活著和死去。當你向盒子裡面看的時候，這瞬間你就會看到貓是活著或是死了，而不是既死去又活著。
這裡有一個問題，那就是量子疊加態是什麼時候結束的，什麼時候坍塌到其中一種可能的狀態？量子疊加不適用於大型物體，比如說貓，因為生物並不能同時活著和死亡。因此，薛定諤判定，哥本哈根詮釋必然存在內在的缺陷。薛定諤的貓試圖透過擴大哥本哈根詮釋的規模來指出這個解釋到底有多奇怪。
你有一個裝著貓的盒子，盒子裡有一個滿足這樣設定的處於疊加態的粒子：當粒子處於一個狀態時，貓會中毒死亡；當粒子處於另一個狀態時，貓會平安無事。
由於貓的存活狀態由粒子的狀態決定，那麼如果粒子是處於疊加態，貓也一定處於疊加態。
圖二 哥本哈根詮釋
根據哥本哈根詮釋，貓實際上是既活又死的，當你開啟盒子看的時候，貓才會處於一個狀態。這裡有一個關於觀測（observe）的重要問題：貓是觀測者麼？
為了理解這個，需要先理解“觀測者”的概念。量子力學中的觀測者跟觀測者效應緊密相關——其中觀測的行為必然會跟被觀測的物體存在相互作用，在相互作用中影響物體的特性。貓和開啟盒子的人一樣有權被稱為觀測者，因為它一定可以根據是否存在有毒氣體來判斷粒子是否發生衰變。貓會持續地觀察盒子裡面的空氣，會永久地將裝有毒氣體的小瓶坍塌到“破碎”或者“完整”的狀態。
這並不像看起來的那樣好理解。
這裡，開啟盒子的人和盒子裡面貓都可以看做是觀測者或者非觀測者。按照這個邏輯，釋放毒氣的瓶子可以算作是勘測衰變的測量裝備，因此也可以被視為觀測者或是探測器麼？它不是在不斷地使放射性同位素的波函式坍塌麼？在鏈式反應的哪個點上疊加被破壞了呢？
這引出了另一個問題：觀測者到底是什麼？任意一個物體都可以被看做是觀測者嗎？如果一切都是觀測者，為什麼我們會看到量子效應？
為了解決這個問題，美國物理學家休·埃弗雷特（Hugh Everett）提出了一種美麗的詮釋，稱為量子力學的多世界詮釋（Many-Worlds Interpretation），該解釋於1957年首次發表在他的博士論文中。
圖三 休·埃弗雷特 （右二）（從左到右：查爾斯·米斯納、黑爾·特羅特、尼爾斯·玻爾、戴維·哈里森）
詮釋認為，一般的波函式是客觀真實的，不存在波函式坍縮。這意味著量子測量的所有可能結果都在某些“世界”或宇宙中物理實現。因此，這個奇怪的想法從另一個角度看待整個思想實驗，表明量子力學中“薛定諤的貓”悖論是一系列事件，每一個量子事件都是分支點。即使在盒子開啟之前，貓也有活著或者死亡的情況，但這些“活著”或者“死去”的貓在宇宙的不同分支中都是真實存在的，但彼此之間並不關聯。
圖四：由於兩個疊加和糾纏的量子力學狀態導致的宇宙分離
1935年，諾貝爾物理學得主、奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤提出的這一例證指出：量子理論者們認為的微觀層面上物質的性質和行為，和普通人認為的肉眼可見的宏觀層面上觀測到的物質的性質和行為之間，存在著不合邏輯的矛盾。
圖五 埃爾溫·薛定諤
多年以來，薛定諤的貓一直被用來類比闡述量子力學中新興理論間的差異。比如說在多世界詮釋理論中，貓既是死的又是活的，因為觀察者和貓代表兩種現實：一種的貓死了，另一種的貓活著。據說，薛定諤本人在晚年曾說過，他希望自己從未見過那隻貓。
在觀察非常微觀的世界時，粒子和波是同等重要的，在這個尺度下，我們不能用已知的經驗來判斷事物的運動規律……所有的經驗都是錯的，沒有任何類似的物理例子來類比原子內部發生了什麼。這時候，原子就像原子，沒有其他的比喻。
——約翰·格里賓（John Gribbin）
作者：Physics History
翻譯：Nuor
審校：zhenni
原文連結：
https://www.cantorsparadise.com/schr%C3%B6dingers-cat-the-most-bizarre-thought-experiment-in-physics-94fb3b0e962b
科學技術對人類社會的發展有非常重要的影響。從最初的製造工具、建造房屋，到形成村落、城市，從簡單的運輸工具到飛機、宇宙飛船，從簡單的文字，到各式各樣的語言，從原始的隔空喊話，到高速便捷的現代通訊，從抬頭仰望星星，到深入探索宇宙，所有的一切，都與科學技術的發展密切相關。
翻譯內容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
編輯：zhenni
