薛定谔的猫毕业论文

为什么要研究那个变态的理论==在这个理论里面，存在三个主体。一，实验者，你，二，实验对象，猫，三，客观因素，假设是我（取代原子衰变）。现在我有一个盒子，里面装了一只猫，我让你猜那只猫是活的是死的，你猜活的，我就弄死那只猫，你猜是死的，我就让那猫活着出来，当然可以是你认为那只猫是活的，我就让那猫活，你认为那只猫是死的，我就弄死它，而且，这猫也可能不受我影响，突然死了，或者怎么弄也不死。在猫没有从盒子里面拿出来的时候，我们了解到的是，放进盒子的时候，猫是活着的。而把猫拿出来之后，我们也可以确切的知道，猫活着，或者死了这两种结果。可是猫在盒子中的时候，因为你的不确定，还存在我的潜在影响，还有猫自身的未知，整体来说，那只命悬一线的猫，就是一个实验牺牲品，实验不结束，它就可以一直活着，可是实验如果需要结束了，它到底是活着还是死了，就不好说了。所以，在你举例的时候，你考虑到，我手里有一个硬币，让你猜，是有，还是没有，你说你是不确定的，可是你没有考虑到，我可能会根据你的判断，作弊。你可以想象一下，让你猜硬币的人，是刘谦，他在你面前将一枚硬币，放在手里面，然后让你猜，硬币还在不在。首先确定的是，硬币是在你眼前放在他手里面的，在放置的一瞬间，硬币是存在的。可是他把手打开的时候，结果可存在，也可能消失，可能跟你预测的结果，一样，也可能正好相反。薛定谔的猫，是一场允许出千的博弈。而且薛定谔的猫，一般都很强调活体样本的。比如实验题是猫，而不是说。某一个化学反应，如果条件充足，他就能够成功，如果条件不充足，就不能成功，可是在一个潜在条件充足可能性的环境下，我们并不能确切的预见到实验是否成功，我们之知道，实验对象在放置进入那个环境的放置时，他还是他本身，不明确他是不是会随着实验的成功或者失败，状态有所改变。薛定谔的猫，是很强调那只猫的==薛定谔是个大变态，哼。

在科学构建的理论体系中，我们不属于这个物质的世界。我们不在这个世界中，在世界之外，我们只是世界的观察者。而认为我们在这个世界的原因是我们的身体在这个世界，不仅仅我的身体，我周围的朋友、猫、狗、房子和所有的生物都在这个世界里，这也是我跟他们交流的唯一途径。

—— 埃尔温·薛定谔（1887–1961）

图一 薛定谔方程

量子力学中有许多 历史 悠久的 思想实验 ，其中大多数都是用来指出量子力学中的破绽。理论物理学家、量子力学的先驱之一埃尔温·薛定谔设想了这样一个思想实验：

把一只猫关在装有放射源及有毒气体的封闭容器里。放射源在单位时间内有一定的 几率 会发生衰变，当检测到放射源衰变时，有毒气体就会释放，猫就会死；如果放射源没有发生衰变的话，猫就存活。

量子力学中的 哥本哈根诠释 （Copenhagen interpretation）指出：物理系统的属性并不是确定的，只能用量子力学的概率术语来衡量系统的属性，而且测量的行为会对系统产生影响，造成概率集缩小到许多可能值中的一个，这种情况被称为 波函数坍缩 （wave-function collapse）。

举例来说：在你看月亮之前，月亮是任意可能的状态，比如说满月、半月、新月等。但是只要你一看，月亮就会坍塌到一种可能的状态。因此，观测这种手段，在量子力学中扮演着重要的角色。考虑上面的思想实验，这意味着过了一段时间之后，猫同时活着和死去。当你向盒子里面看的时候，这瞬间你就会看到猫是活着或是死了，而不是既死去又活着。

这里有一个问题，那就是 量子叠加态 是什么时候结束的，什么时候坍塌到其中一种可能的状态？量子叠加不适用于大型物体，比如说猫，因为生物并不能同时活着和死亡。因此，薛定谔判定，哥本哈根诠释必然存在内在的缺陷。薛定谔的猫试图通过扩大哥本哈根诠释的规模来指出这个解释到底有多奇怪。

你有一个装着猫的盒子，盒子里有一个满足这样设定的处于叠加态的粒子：当粒子处于一个状态时，猫会中毒死亡；当粒子处于另一个状态时，猫会平安无事。

由于 猫的存活状态由粒子的状态决定 ，那么如果粒子是处于叠加态，猫也一定处于叠加态。

图二 哥本哈根诠释

根据哥本哈根诠释，猫实际上是既活又死的，当你打开盒子看的时候，猫才会处于一个状态。这里有一个关于 观测 （observe）的重要问题：猫是观测者么？

为了理解这个，需要先理解“观测者”的概念。量子力学中的观测者跟观测者效应紧密相关——其中观测的行为必然会跟被观测的物体存在 相互作用 ，在相互作用中影响物体的特性。猫和打开盒子的人一样有权被称为观测者，因为它一定可以根据是否存在有毒气体来判断粒子是否发生衰变。猫会持续地观察盒子里面的空气，会永久地将装有毒气体的小瓶坍塌到“破碎”或者“完整”的状态。

这并不像看起来的那样好理解。

这里，打开盒子的人和盒子里面猫都可以看做是观测者或者非观测者。按照这个逻辑，释放毒气的瓶子可以算作是勘测衰变的测量装备，因此也可以被视为观测者或是探测器么？它不是在不断地使放射性同位素的波函数坍塌么？在链式反应的哪个点上叠加被破坏了呢？

这引出了另一个问题：观测者到底是什么？任意一个物体都可以被看做是观测者吗？如果一切都是观测者，为什么我们会看到量子效应？

为了解决这个问题，美国物理学家休·埃弗雷特（Hugh Everett）提出了一种美丽的诠释，称为量子力学的 多世界诠释 （Many-Worlds Interpretation），该解释于1957年首次发表在他的博士论文中。

图三 休·埃弗雷特 （右二）（从左到右：查尔斯·米斯纳、黑尔·特罗特、尼尔斯·玻尔、戴维·哈里森）

诠释认为，一般的波函数是客观真实的，不存在波函数坍缩。这意味着量子测量的所有可能结果都在某些“世界”或宇宙中物理实现。因此，这个奇怪的想法从另一个角度看待整个思想实验，表明量子力学中“薛定谔的猫”悖论是一系列事件，每一个量子事件都是分支点。即使在盒子打开之前，猫也有活着或者死亡的情况，但这些“活着”或者“死去”的猫在宇宙的不同分支中都是真实存在的，但彼此之间并不关联。

图四：由于两个叠加和纠缠的量子力学状态导致的宇宙分离

1935年，诺贝尔物理学得主、奥地利物理学家埃尔温·薛定谔提出的这一例证指出：量子理论者们认为的微观层面上物质的性质和行为，和普通人认为的肉眼可见的宏观层面上观测到的物质的性质和行为之间，存在着不合逻辑的矛盾。

图五 埃尔温·薛定谔

多年以来，薛定谔的猫一直被用来类比阐述量子力学中新兴理论间的差异。比如说在多世界诠释理论中，猫既是死的又是活的，因为观察者和猫代表两种现实：一种的猫死了，另一种的猫活着。据说，薛定谔本人在晚年曾说过，他希望自己从未见过那只猫。

在观察非常微观的世界时，粒子和波是同等重要的，在这个尺度下，我们不能用已知的经验来判断事物的运动规律……所有的经验都是错的，没有任何类似的物理例子来类比原子内部发生了什么。这时候，原子就像原子，没有其他的比喻。

——约翰·格里宾（John Gribbin）

作者：Physics History

翻译： Nuor

审校： zhenni

原文链接：

科学技术对人类 社会 的发展有非常重要的影响。从最初的制造工具、建造房屋，到形成村落、城市，从简单的运输工具到飞机、宇宙飞船，从简单的文字，到各式各样的语言，从原始的隔空喊话，到高速便捷的现代通信，从抬头仰望星星，到深入 探索 宇宙，所有的一切，都与科学技术的发展密切相关。

翻译内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

✨编者按：针对于目前大量的灵修，宗教以及商家，偷换量子理论的概念，以达到其目的，特转发张天荣老师的科普系列文章《走进量子纠缠》。本科普系列是想尽量使用通俗的语言，向公众介绍神秘奇妙的‘量子纠缠’。—— 小义子

要认识神秘的量子纠缠，首先要认识神秘的量子现象。

不管是学哪个行业的，大概都听说过奇妙的量子现象。诸如测不准原理啦，薛定谔的猫之类的，在日常生活中看起来匪夷所思的现象，却是千真万确存在于微观的量子世界中。

许多人将听起来有些诡异的量子理论视为天书，从而敬而远之。有人感叹说：“量子力学，太不可思议了，不懂啊，晕！”

不懂量子力学，听了就晕，那是非常正常的反应。听听诺贝尔物理学奖得主，大物理学家费曼的名言吧。费曼说：“我想我可以有把握地讲，没有人懂量子力学！” 量子论的另一创始人玻尔（Niels Bohr）也说过：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”既然连费曼和玻尔都这样说，我等就更不敢吹牛了。

因此，我们暂时不要奢望‘懂得’量子力学。此一系列文章的目的是让我们能够多‘了解’、多认识一些量子力学。因为量子力学虽然神秘，却是科学史上最为精确地被实验检验了的理论，量子力学经历了100多年的艰难历史，发展至今，可说是到达了人类智力征程上的最高成就。身为现代人，如果不曾‘了解’一点点量子力学，就如同没有上过因特网，没有写过email一样，可算是人生的一大遗憾啊。

刚才提及量子现象时，说到了‘薛定谔的猫’，我们的讨论可由此开始。

薛定谔（E.Schr dinger ，1887—1961）是奥地利著名物理学家、量子力学的创始人之一，曾获1933年诺贝尔物理学奖，量子力学中描述原子、电子等微观粒子运动的薛定谔方程，就是以他而命名的。

那么，首先我们需要了解，什么是‘叠加态’？

根据我们的日常经验，一个物体某一时刻，总会处于某个固定的状态。比如我说：女儿现在‘在’客厅里，或是说：女儿现在‘不在’客厅里。要么在，要么不在，两种状态，必居其一。然而，在微观的量子世界中，情况却有所不同。微观粒子可以处于一种所谓‘叠加态’的状态中，这种状态是不确定的。例如，电子可以同时位于两个不同的地点：A和B，也就是说，电子既在A，又不在A。电子的状态是‘在’和‘不在’，两种状态按一定几率的叠加。电子的这种混合状态，叫做‘叠加态’。

聪明的读者会说：“女儿此刻‘在’或‘不在’客厅，看一眼就清楚了。电子在A，或是不在A，测量一下不就知道了吗？”说得没错，当我们对电子的状态进行‘测量’时，电子的‘叠加态’不复存在，而是‘坍缩’到‘在A’，或是‘不在A’，两个状态的其中之一。但是，微观与宏观之不同，是在于观测之前。女儿在不在客厅，观测之前已成事实，并不以‘看’或‘不看’而转移。而微观电子坍缩前的状态，并无定论，直到测量它，才因坍缩而确定。这是微观世界中量子叠加态的奇妙特点。

尽管量子现象显得如此神秘。然而，量子力学的结论却早已在诸多方面被实验证实，被学术界接受，在各行各业还得到各种应用，量子物理学对我们现代日常生活的影响无比巨大。以其为基础而产生的电子学革命及光学革命将我们带入了如今的计算机信息时代。可以说，没有量子力学，就不会有今天所谓的‘高科技’产业。

如何解释量子力学的基本理论，仍然是见仁见智，莫衷一是。这点也曾经深深地困扰着它的创立者们，包括伟大的爱因斯坦。微观叠加态的特点与宏观规律如此不同，物理学家如薛定谔也想不通。于是，薛定谔在1935年发表了一篇论文，题为《量子力学的现状》，在论文的第5节，薛定谔编出了一个‘薛定谔猫’的理想实验，试图将微观不确定性变为宏观不确定性，微观的迷惑变为宏观的佯谬，以引起大家的注意。果不其然！物理学家们对此佯谬一直众说纷纭、争论至今。

以下是‘薛定谔猫’的实验描述。

把一只猫放进一个封闭的盒子里，然后把这个盒子连接到一个装置，其中包含一个原子核和毒气设施。设想这个原子核有50%的可能性发生衰变。衰变时发射出一个粒子，这个粒子将会触发毒气设施，从而杀死这只猫。根据量子力学的原理，未进行观察时，这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态，因此，那只可怜的猫就应该相应地处于‘死’和‘活’ 的叠加态。非死非活，又死又活，状态不确定，直到有人打开盒子观测它。

实验中的猫，可类比于微观世界的电子（或原子）。在量子理论中，电子可以不处于一个固定的状态（0或1），而是同时处于两种状态的叠加（0和1）。如果把叠加态的概念用于猫的话，那就是说，处于叠加态的猫是半死不活、又死又活的。

量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，薛定谔的猫的状态是‘死’与‘活’的叠加。此猫将永远处于同时是死又是活的叠加态。这与我们的日常经验严重相违。一只猫，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活呢？别小看这一个听起来似乎荒谬的物理理想实验。它不仅在物理学方面极具意义，在哲学方面也引申了很多的思考。

谈到哲学，聪明的读者又要笑了，因为在古代哲学思想中，不凡这种似是而非、模棱两可的说法。这不就是辩证法的思想吗？你中有我，我中有你，一就是二，二就是一，合二而一，天人合一，等等等等，如此而已。

此话不假，因此才有人如此来比喻‘薛定谔的猫’：男女在开始恋爱前，不知道结果是好或者不好，这时，可以将恋爱结果看成好与不好的混合叠加状态。如果你想知道结果，唯一的方法是去试试看，但是，只要你试过，你就已经改变了原来的结果了！

无论从人文科学的角度，如何来诠释和理解‘薛定谔的猫’，人们仍然觉得量子理论听起来有些诡异。有读者可能会说：“你拉扯了半天，我仍然不懂量子力学啊！”

还好，刚才我们已经给读者打了预防针，不是吗？没有人懂量子力学，包括薛定谔自己在内！薛定谔的本意是要用‘薛定谔猫’这个实验的荒谬结果，来嘲笑哥本哈根学派对量子力学，对薛定谔方程引进的‘波函数’概念的几率解释，但实际上，这个假想实验使薛定谔自己，站到了自己奠基的理论的对立面上，难怪有物理学家调侃地说到薛定谔：“薛定谔不懂薛定谔方程！”

到此为止，我们解释了半天‘薛定谔猫’实验的来龙去脉，却只字未提薛定谔的女朋友之事。再此赶快补上这段八卦，以免使读者大失所望。

薛定谔应该具有超凡的个人魅力，风流倜傥，女友无数。要不然怎么会触动舞台剧编导、纽约剧作家马修韦尔斯的灵感，写出了一部‘薛定谔的女朋友’的舞台剧呢？

以下是这个舞台剧2001-2003年在旧金山和纽约演出时的剧照和海报。

《薛定谔的女朋友》是关于爱，性，和量子物理学的一部另类浪漫喜剧。剧作家马修韦尔斯本人，并没有受过超出高中课程的科学教育，但却痴迷于物理学的神秘。他说：”我永远无法进入数学，但我发现它背后的概念，视觉和类比，是如此地引人入胜！”

舞台剧中有这么一段饶有趣味的话：“到底是波动-粒子的二象性难一点呢，还是老婆-情人的二象性更难？”据说薛定谔有很多情妇，也有不少私生子，身边不乏红颜知己。薛定谔的女友和薛定谔的猫一样不确定，薛定谔的婚姻爱情观和他的物理理论一样，不同凡响。据说，薛定谔是个‘多情种子’类的人物，他的情妇虽然多，但他每爱一个女人时，都是真心实意地。也许我们可以用量子力学的语言来作个比喻：薛定谔的感情和性生活，总是处于一个包括很多本征态的复杂叠加态中。一定时期，叠加态‘坍缩’到某个本征态，薛定谔便投入一个女友的怀抱。

但是，在薛定谔众多女友中，有一位很不一般的神秘女人，正是她，成为了这部舞台剧的女主人公。

在1925年圣诞节前，薛定谔像往年一样，来到美丽的、白雪皑皑的阿尔卑斯山上度假，但这次陪伴他的不是太太安妮，而是一位来自维也纳的神秘女友。薛定谔的这位女友神秘莫测，直到八十多年后的今天，也无人考证出她的身份来历。她不是考证者已知的薛定谔情妇中的任何一位。无论如何，在这对情侣共度佳期的时期内，这位神秘女郎极大地激发了薛定谔的灵感，使得他令人惊异地始终维持着一种极富创造力和洞察力的状态。因此，物理学家们说，薛定谔的伟大工作是在他生命中一段情欲极其旺盛的时期内作出的。薛定谔自己也不否认这点，他认为，通过观看这个引人注目的女人，他找到了困惑科学界波/粒二象性看似矛盾的关键。果然，之后的一年内，薛定谔接连不断地发表了六篇关于量子力学的主要论文，提出了著名的薛定谔方程。因此，在享受量子力学带给我们辉煌灿烂的科技成果的今天，我们也应该感谢这位神秘女郎的贡献。

综上所述，是‘薛定谔的神秘女友’，激发了薛定谔天才的想象力和灵感，使其建立了微观世界中粒子的波函数所遵循的薛定谔方程。然后，薛定谔不同意哥本哈根派对波函数的解释，设计了‘薛定谔的猫’的思想实验。用薛定谔自己的话来说，他要用这个“恶魔般的装置”，让人们闻之色变。薛定谔说：看吧，如果你们将波函数解释成粒子的几率波的话，就会导致一个既死又活的猫的荒谬结论。因此，几率波的说法是站不住脚的！

这只猫的确令人毛骨悚然，相关的争论一直持续到今天。连当今伟大的物理学家霍金也曾经愤愤地说：“当我听说薛定谔的猫的时候，我就跑去拿枪，想一枪把猫打死！”

在宏观世界中，既死又活的猫不可能存在，但许多许多实验都已经证实了微观世界中叠加态的存在。总之，通过薛定谔的猫，我们认识了叠加态，以及被测量时叠加态的坍缩。

叠加态的存在，是量子力学最大的奥秘，是量子现象给人以神秘感的根源，是我们了解量子力学的关键。

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