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2003年，有一天我突然心血來潮，想在網(wǎng)上連載關(guān)于量子力學(xué)的科普文章，沒想到后來這些文章集結(jié)出版了，書名叫《上帝擲骰子嗎》。

當(dāng)時互聯(lián)網(wǎng)處在剛剛起步的階段，普通人對量子這個名詞是非常陌生的，更不要說薛定諤的貓了，大家可能以為是一位姓薛的大爺養(yǎng)的一只貓。

當(dāng)年我萬萬沒有想到，在接下來的十多年里，量子這個詞迅速在大眾中普及開來，到今天已經(jīng)變成了非常流行和時髦的名詞。

今天，量子已經(jīng)深入到每個人的日常生活，包括小說、動漫、電影、電視，都在不斷借鑒量子的概念。我們跟朋友聊天的時候好像不扯幾句量子就顯得不夠高大上。

借著量子的名頭也有很多無良的商家在趁機(jī)推銷一些產(chǎn)品，比如量子鞋墊、量子減肥，還有最新很火爆的量子波動速讀?？破帐呛檬聝?，但是要正確的科普，不要被忽悠了。

薛定諤的貓就是一個很典型的例子，很多人都或多或少聽說過這個名詞，但是我發(fā)現(xiàn)很多人對所謂薛定諤的貓的問題是有一定誤解的。

網(wǎng)上有很多關(guān)于薛定諤的貓的科普文章也是經(jīng)過夸張的，甚至有一些誤導(dǎo)的內(nèi)容在里面。

可能很多人都不知道，如果把薛定諤的貓這個問題單獨(dú)拿出來說的話，其實(shí)我們已經(jīng)有了這個問題的答案，但是可能還有很多人不知道。所以我就詳細(xì)地講一講這只著名的又死又活的貓。

薛定諤的貓是死還是活？

薛定諤的貓到底是什么問題？首先，量子論里面一個非常有意思的概念叫作量子疊加態(tài)，如果我扔一枚硬幣，然后我把這枚硬幣抓在手里面，在我沒有看這枚硬幣的時候，它是什么狀態(tài)呢？在傳統(tǒng)的、經(jīng)典的物理學(xué)看來，這枚硬幣一定有一個確定的狀態(tài)。

雖然我沒有看，但是它要么是正面，要么是反面。但是量子論就不一樣了，量子論認(rèn)為在我們沒有看這枚硬幣的時候，這枚硬幣處在正面+反面的狀態(tài)，就是量子疊加態(tài)。

在不那么嚴(yán)格的意義上，你可以想象成這枚硬幣在我沒有看它的時候，它既是正面又是反面。所以量子疊加態(tài)在量子論里面是非常普遍的一個狀態(tài)。

如果我們現(xiàn)在問一個電子在哪里？我們通常把電子想象成一個小球，但是如果它是一個普通的小球，比如說一個籃球，那么它一定有一個確定的位置，要么在這里，要么在那里，它不能同時在兩個地方。

但是量子論認(rèn)為一個電子如果沒有觀察它的時候，它很可能處在A點(diǎn)+B點(diǎn)的疊加態(tài)。

為什么一個電子又在這里，又在那里？聽起來讓人覺得很奇怪，如果我換一個問題，可能就沒那么奇怪了。如果問我的聲音在哪里，你們會怎么回答？

很明顯，既然我在這里說話，所有人都可以聽見我的聲音，那么我的聲音肯定是既在這里又在那里。

為什么我這樣說你們覺得不習(xí)慣？因?yàn)槲业穆曇羰且环N波動，是聲波。作為一種波，它必然可以充斥著整個空間，在你們每個人的耳邊，所以它處在一種空間疊加的狀態(tài)。

量子論為什么說電子既在這里又在那里？因?yàn)樵诹孔诱摽磥恚魏蔚臇|西，不管是電子也好，光子也好，原子也好，所有的粒子都被認(rèn)為在某種程度上同時也是一個波，這就是波粒二象性。

圖中是著名的薛定諤方程，這個方程的意思是量子論認(rèn)為任何粒子都應(yīng)該嚴(yán)格按照薛定諤的方程來運(yùn)動。薛定諤方程描述的就是一個波動，所以也叫作薛定諤波動方程。

薛定諤是奧地利著名的物理學(xué)家，量子力學(xué)的創(chuàng)始人，薛定諤方程是他在實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來的。來看一看著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。

如果把一束光通過開著兩道狹縫的面板，投到后面的投影屏上，會出現(xiàn)一明一暗的條紋，即雙縫干涉條紋，這很明顯就是波動的一個性質(zhì)體現(xiàn)。

我們知道光是一種電磁波，我們發(fā)現(xiàn)如果把一個個電子同樣地打向開雙縫的面板，然后投到后面的投影屏上，也會出現(xiàn)一明一暗的條紋，說明電子也有波動的性質(zhì)。

電子不是一般的波，它跟聲波還不一樣。聲波確實(shí)可以被人們聽到，但是如果我們觀測一個電子，就從來不會看到它同時出現(xiàn)在兩個地方，如果你真的去看一個電子，它有一個確定的位置。但是你不看它的時候，它通過雙縫，就表現(xiàn)得像個波。

當(dāng)時創(chuàng)立量子力學(xué)的創(chuàng)始人們想出一個解釋，他們認(rèn)為電子不是一般的波，它是概率波，換句話說電子的波不是實(shí)體，是它出現(xiàn)的各種可能性的疊加，這些疊加加起來像一個波。

當(dāng)我們不看電子的時候，電子長得像波的模樣，像各種概率的疊加。但是如果我們?nèi)ビ^測它，一看它的時候，這個波就坍縮了，電子就會出現(xiàn)在某個地方。

如果我們看它的時候，它又變成了概率波，然后我們再一看，它又出現(xiàn)在另外一個地方。出現(xiàn)在哪里是隨機(jī)的，我們不知道它會出現(xiàn)在哪里，它的可能性大小是根據(jù)這個波的強(qiáng)度來分布的。

這就是當(dāng)年創(chuàng)立量子力學(xué)的人對量子力學(xué)的解釋，因?yàn)檫@些人基本上都在丹麥歌本哈根物理研究所，所以這個解釋就被稱為哥本哈根解釋。

這種解釋是不是有點(diǎn)奇怪？你不看電子的時候，它就是一個概率波，你一看它，它就隨機(jī)出現(xiàn)在某個地方。

當(dāng)時,很多著名的科學(xué)家也覺得這種解釋很奇怪，最著名的兩位就是薛定諤和愛因斯坦，他們就覺得哥本哈根解釋很奇怪，是荒謬的。

愛因斯坦當(dāng)時說了一句名言：當(dāng)我們不看月亮的時候，它還在那里嗎？

因?yàn)樵铝镣瑯右彩怯稍?、分子夠成的?/span>如果按照量子論的說法，任何一個粒子在沒有看它的時候，它是一個概率波，那么就說明我們沒有看月亮的時候，月亮也是一個概率波。

所以愛因斯坦和哥本哈根學(xué)派就展開了科學(xué)史上最著名的關(guān)于量子論的本質(zhì)的一場論證。

薛定諤是站在愛因斯坦這邊的，雖然薛定諤方程是他提出來的，但是他認(rèn)為哥本哈根學(xué)派所謂的概率波解釋是不對的。

薛定諤很贊同愛因斯坦的想法。他本人后來也想出了一個例子，同樣來質(zhì)疑哥本哈根學(xué)派這些人，這就是大名鼎鼎的薛定諤的貓。

薛定諤的貓是什么意思呢？薛定諤說假設(shè)有一枚硬幣，拋一下，它有正面和反面兩種狀態(tài)，按照量子論的解釋，我不看這枚硬幣的時候，這枚硬幣是正面和反面的疊加，既是正面又是反面。

假設(shè)這枚硬幣確實(shí)是正面和反面的疊加，我現(xiàn)在把它放到一個箱子里，箱子里有一套連鎖裝置，如果硬幣是正面，就會觸發(fā)機(jī)關(guān)，把毒氣放出來。

箱子里放一只貓，毒氣放出來，貓就被毒死了。如果反過來，硬幣是反面，一切就保持原狀，貓就活著。

薛定諤問：如果這個箱子是不透明的，我們沒有打開箱子看之前，請問這個貓是什么狀態(tài)？

很明顯，如果你說這個硬幣是正面+反面的疊加態(tài)，按照邏輯推導(dǎo)，我們馬上就可以知道這只貓是什么狀態(tài)。這只貓必然是一個活貓和死貓的疊加態(tài)。

粒子太小了，我們看不見是不是疊加態(tài)，但是貓是一個我看得見也摸得著的東西。從日常經(jīng)驗(yàn)我們就知道，一只貓不可能又死又活的，那么反過來就可以證明，微觀上粒子的疊加態(tài)也是不成立的。這是一個反證法。

但是薛定諤的貓?zhí)岢鰜硎?935年，是80多年前了。量子力學(xué)又發(fā)展了80多年，我們做了越來越多的實(shí)驗(yàn)，越來越多的證據(jù)表明其實(shí)在微觀層面上確實(shí)存在著量子疊加態(tài)，但是很明顯，我們在生活中沒有見過一只又死又活的貓，所以這就變成了薛定諤的貓帶來的難題。

量子糾纏和量子退相干

如果在微觀層面上確實(shí)存在著量子疊加態(tài)，那么這種疊加態(tài)為什么沒有被放大到宏觀層面呢？這個問題我們現(xiàn)在基本上有答案了，這個答案的名字叫作“量子退相干”。

在講量子退相干之前，我們先講講量子論里面一個神奇的屬性——量子糾纏。量子糾纏這個詞前幾年很火，據(jù)說這個名詞特別文藝，受到文藝青年的追捧。

量子糾纏是什么意思呢？舉個例子，如果有一男一女，假設(shè)他們每天穿的衣服可以隨機(jī)選擇顏色，假設(shè)有藍(lán)色和綠色，男生可以選藍(lán)色或者綠色，女生也一樣。

如果男生和女生之間沒有關(guān)系，是互相獨(dú)立的，那么他們穿衣服的顏色也是獨(dú)立的，簡單排列組合后有四種可能性。

什么是量子糾纏？比如說他們談戀愛了，他們就糾纏在一起了，變成一對之后，他們要穿一樣顏色的情侶裝，這樣一來，他們穿衣服的可能性就只有兩種，要么是藍(lán)色，要么是綠色。在量子論里面，這就是所謂的量子糾纏。

回到薛定諤的貓的故事，本質(zhì)上就是一個量子糾纏的故事。一枚硬幣有兩種狀態(tài)，要么是正面，要么是反面；貓也有兩種狀態(tài)，要么是活貓，要么是死貓。

如果這枚硬幣和貓沒有關(guān)系，它們之間互相獨(dú)立的話，本來也應(yīng)該是排列組合4種可能性。

但是當(dāng)我們把貓放進(jìn)箱子里之后，因?yàn)樵O(shè)定了連鎖裝置，就發(fā)現(xiàn)它們之間產(chǎn)生了糾纏狀態(tài)，它們只剩下兩種可能性。如果硬幣扔出正面，貓就死了，反之貓就活了，它們之間產(chǎn)生了糾纏。

在量子論看來，糾纏就是兩個系統(tǒng)變成了一個整體，它們的狀態(tài)不再是互相獨(dú)立的，而是一個整體。如果兩個系統(tǒng)之間發(fā)生了交互作用，它們的狀態(tài)被關(guān)聯(lián)在一起了，這個就叫作量子糾纏。

剛才男生與女生的糾纏是一個人跟一個人的糾纏，是一對一的糾纏。貓是一個宏觀物體，組成貓的粒子可能有1000億億個。貓跟一個粒子發(fā)生糾纏，換句話說就是一個粒子和一大堆粒子的糾纏。

在量子論里面，量子糾纏的最大糾纏只能是一對一，一個粒子跟你糾纏了就不能跟另一個粒子再糾纏了。

但是對貓來說，雖然作為一個整體和一個粒子糾纏了，但是它身上有很多個粒子，你不能阻止它身上每一個單獨(dú)的粒子再繼續(xù)和外界發(fā)生各種糾纏。

糾纏就是發(fā)生相互作用，一只貓雖然關(guān)在箱子里，但是除非這個箱子是一個異次元空間，否則貓仍然不可避免地要和外部的環(huán)境發(fā)生作用，貓要呼吸，放出熱量，在隱蔽場里接受宇宙微波背景的輻射，所有這一切都說明貓身上的粒子在和外部的環(huán)境發(fā)生越來越多的糾纏。

量子糾纏是個很神奇的現(xiàn)象，一旦糾纏建立之后，哪怕一個粒子飛到宇宙的盡頭，兩個粒子之間仍然可以保持著糾纏。

所以貓和粒子糾纏之后，它身上的各個粒子仍然不停地和外界繼續(xù)產(chǎn)生糾纏，所以在薛定諤的貓的箱子里發(fā)生了什么事情？首先，把貓放進(jìn)去之后，貓和原來的那個粒子糾纏在一起，它們是一個整體系統(tǒng)。

然后在很短的時間里，貓身上的粒子繼續(xù)和外部的環(huán)境發(fā)生各種糾纏，這個糾纏可以傳遞得很快，在很短很短的時間里，這些糾纏可以彌漫到宇宙的盡頭，換句話說這只貓很快就跟整個宇宙環(huán)境都糾纏在一起了，是不可分割的一個整體了。

那么當(dāng)我們打開箱子看這只貓的時候會發(fā)生什么事情？很明顯，因?yàn)槲覀円彩怯钪姝h(huán)境中的一部分，所以當(dāng)我們打開箱子看貓的時候，看到的不是一只完整的貓，看到的是一只剔光了毛的貓，只看到了貓本身，但是你看不到這只貓跟整個宇宙的各種糾纏，除非你觀察到整個宇宙的信息，不然的話，你是把所有這些信息都忽略掉了，你只看貓本身。

在這種情況下，我只看到了貓本身，但是我忽略了所有它和環(huán)境的糾纏信息。這種情況下會發(fā)生什么？這就是量子退相干登場的時候了。

退相干告訴我們一件事情，當(dāng)你觀測一個系統(tǒng)的時候，如果你忽略了這個系統(tǒng)跟所有環(huán)境的糾纏信息之后，這個系統(tǒng)的疊加性就會迅速消失，就會退化成經(jīng)典概率的情況。

這就是為什么我們看不見一只又死又活的貓。本質(zhì)上退相干是一個可以被嚴(yán)格證明的數(shù)學(xué)理論，它是經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以證明的。今天不談數(shù)學(xué)，只是打個比喻。

你可以把量子的疊加態(tài)看成一滴墨水，本來它在一個小小的粒子上面是一滴墨水，當(dāng)把這個粒子和貓糾纏在一起之后，相當(dāng)于把這滴墨水放到一個杯子里（貓相當(dāng)于一個杯子），很快這個疊加態(tài)就變成了整個系統(tǒng)的疊加態(tài)，相當(dāng)于這滴墨水混合到整個杯子里面了。

但是貓是很大的物體，它不可避免地要和周圍環(huán)境繼續(xù)發(fā)生作用，所以你可以想象這個杯子其實(shí)不是密封的，渾身是洞，而且杯子是放在汪洋大海里。

在很短的時間里，這一杯墨水會迅速跟周圍的海水發(fā)生均勻的混合，也就是這滴墨水很快被稀釋到整個大海里了。

這時，如果你再去看杯子本身，你是看不到墨水的，看到的是非常干凈的水。你看不到疊加態(tài)，疊加態(tài)消失了，它退相干到整個環(huán)境里了。

為什么我們看不到又死又活的貓？是因?yàn)樨埡艽螅趾椭車沫h(huán)境發(fā)生作用，而你看不到整個宇宙環(huán)境和貓的糾纏，只看到了貓本身，所以你只能看到一只要么死、要么活的貓。聽起來好像很懸，但是退相干不僅是數(shù)學(xué)上的推導(dǎo)，它是可以被實(shí)驗(yàn)所證明的。

退相干是20世紀(jì)80年代提出的，在接下來的幾十年里，我們做了很多很多的實(shí)驗(yàn)，徹底證明了退相干的存在。

退相干不僅僅是瞬時的，它是有時間差的。1996年，法國物理學(xué)家阿羅什第一次在實(shí)驗(yàn)室里看到了一個很小的系統(tǒng)，是怎樣隨著時間一點(diǎn)一點(diǎn)地消失了它的疊加態(tài)，而且和理論可以完美地符合。因?yàn)檫@項(xiàng)工作，他獲得了2012年的諾貝爾物理學(xué)獎。

到今天為止，我們又做了更多的實(shí)驗(yàn)。今天，學(xué)界公認(rèn)的是退相干是一個客觀存在的、確確實(shí)實(shí)可以被檢驗(yàn)的狀態(tài)，所以對這一點(diǎn)是無須懷疑的。

退相干不僅是理解宇宙的途徑，它還成為一個非常實(shí)用的工具。比如現(xiàn)在前沿的研究，像量子計(jì)算機(jī)，量子通信。量子計(jì)算機(jī)為什么能夠在某些問題上比普通計(jì)算機(jī)算得快？就是利用了量子疊加態(tài)。

普通計(jì)算機(jī)計(jì)算一個比特，要么是0，要么是1，但是量子計(jì)算機(jī)是一個量子比特，是0和1的疊加，所以量子計(jì)算機(jī)如果算一個10位數(shù)，它不僅是算一個數(shù)，而是同時算了2 ¹⁰的數(shù)，因?yàn)槊恳晃欢际?和1的疊加。

如果我們要造出很好的量子計(jì)算機(jī)，最大的困難是保持這個系統(tǒng)的疊加態(tài)，因?yàn)橹挥携B加狀態(tài)才能進(jìn)行量子計(jì)算。

怎樣才能讓一個系統(tǒng)保持量子疊加？退相干告訴我們，盡量讓它與世隔絕，與環(huán)境隔絕得越徹底，退相干就越不容易發(fā)生，量子疊加態(tài)就越容易保持。

我們不僅實(shí)現(xiàn)了原子、電子的疊加態(tài)，1999年的時候就做出了富勒烯，也就是碳60的疊加態(tài)。今年的11月1日，奧地利物理學(xué)家宣布他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了接近2000個原子的大分子的疊加態(tài)。

很多科學(xué)家正在努力把這個疊加態(tài)保持在細(xì)菌層面。換句話說，在不久的將來，雖然我們還做不出薛定諤的貓，但是很可能會實(shí)現(xiàn)薛定諤的細(xì)菌，這一切就是退相干告訴我們的原理。

總結(jié)一下，剛才我們回顧了薛定諤的貓是什么問題，它本質(zhì)上就是問為什么微觀的量子疊加不能被放大到宏觀。這個問題我們已經(jīng)知道答案了，答案是量子退相干。

量子退相干告訴我們?yōu)槭裁次⒂^會有疊加態(tài)，宏觀物體就沒有，因?yàn)楹暧^物體會和環(huán)境發(fā)生糾纏。所以你看不到它的疊加態(tài)。就像今天我站在這里有一個確定的位置，沒有又在這里又在那里疊加。

因?yàn)槟憧吹降闹皇菍儆谖冶旧淼暮苄∫徊糠值男畔ⅲ憧吹降牟皇且粋€完整的我，我的大部分信息在跟宇宙環(huán)境糾纏。但是你們看不見這些，你們把它忽略掉了，所以你們看我是一個確定的宏觀物體。這就是神奇的量子疊加。

量子論里尚有難題未解

雖然量子退相干回答了薛定諤的貓這個問題，但是它也并沒有解決量子論里面所有的難題。

量子論是一個非常神奇的理論，雖然它創(chuàng)建于一百多年前，對我們的生活產(chǎn)生了巨大的影響，已經(jīng)構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的支柱，但是它還有很多基本的難題并沒有得到解決。

直到今天，物理學(xué)家仍然在爭論。退相干仍然沒有回答一些基本的量子力學(xué)的問題，包括所謂的疊加態(tài)到底是真實(shí)的狀態(tài)，還是為了方便而假設(shè)的一種數(shù)學(xué)模型，包括疊加態(tài)會徹底消失嗎？我們觀測這只貓是死是活，它到底是怎么選擇出來的？為什么宇宙里面有概率這個東西？

這些問題還沒有得到解決，仍然在爭論中，留待未來去研究和發(fā)現(xiàn)。

如果我們是上帝，如果我們開了天眼，我們一看這只貓，同時也觀測了整個宇宙，就知道它所有的跟宇宙糾纏的信息，那時候會發(fā)生什么事情？

有一種量子論解釋認(rèn)為，如果你真的能夠觀測到整個宇宙的話，你會發(fā)現(xiàn)疊加態(tài)仍然是存在的，不會消失。

就像那滴墨水一樣，你在杯子里看不到墨水，但是如果你有本事觀察整個大海，就會發(fā)現(xiàn)這滴墨水沒有消失，就跟能量一樣，既不會憑空創(chuàng)造也不會憑空消失。

我不知道這種解釋是對還是錯，有可能對也有可能錯，我們還在爭論。如果真的是這樣，薛定諤的貓仍然是疊加狀態(tài)，雖然我們是宇宙的一部分，在我們眼里看來，這只貓可能是確定的活或死。

但是也許在整個宇宙中，薛定諤的貓的生死仍然在疊加，在糾纏，或許這就是薛定諤的貓神奇的結(jié)局，答案究竟怎么樣，還要交給未來去探討。

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