薛定諤貓是物理學四大神獸之一，它不是指某種動物，而是一種思想實驗。經典的薛定諤貓思想實驗，如今已經成為量子力學的代名詞。薛定諤貓到底是死是活？它和量子有什么關系？
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2003年的一天，我突然萌生了在網上連載量子力學科普文章的沖動，沒想到這些文章后來被整理出版成了一本書，書名叫做《上帝會擲骰子嗎？》。
那時，互聯網才剛剛起步，普通人對于“量子”一詞還十分陌生，更別說薛定諤的貓了，大家可能還以為那是一位姓薛的老人養的貓。
那時我怎么也沒有想到，在隨后的十幾年里，“量子”一詞會迅速深入人心，成為今天非常流行、時尚的詞匯。
如今量子已經滲透到了每個人的日常生活中，包括小說、動漫、電影、電視都在不斷借用量子的概念。我們和朋友聊天的時候，似乎不聊幾次量子就顯得不夠高端了。
很多不良商家打著量子的旗號推銷一些產品，比如量子鞋墊，量子減肥，還有最近流行的量子波速讀，科普是好事，但一定要正確，千萬不要被忽悠了。
薛定諤貓就是一個典型的例子，很多人都或多或少地聽說過這個名詞，但是我發現很多人對于所謂的薛定諤貓問題存在一定的誤解。
網上有很多關于薛定諤貓的科普文章，有些夸張，甚至含有一些誤導性的內容。
很多人可能不知道，如果脫離上下文來看待薛定諤貓的問題，其實這個問題已經有了答案，只是很多人可能不知道。所以我就來詳細說說這只著名的“既死又活”的貓吧。
薛定諤的貓是死是活？
薛定諤貓的問題是什么？首先量子論中有一個非常有趣的概念叫量子疊加。如果我拋出一枚硬幣，然后我把它拿在手里，當我不看它的時候，它處于什么狀態？在傳統的、古典的物理學中，這枚硬幣一定處于某種狀態。
雖然我沒見過，但硬幣要么是正面，要么是反面。但量子理論就不一樣了。量子理論認為，當我們沒看到硬幣的時候，硬幣是正面+反面的狀態，這是一種量子疊加態。
從不太嚴格的意義上講，你可以想象當我不看這枚硬幣時，它既有正的一面，也有反的一面。所以量子疊加是量子理論中很常見的狀態。
如果我們現在問電子在哪里？我們通常把電子想象成一個小球，但如果它是一個普通的小球，比如籃球，那么它一定有一個確定的位置，要么在這里，要么在那里，它不可能同時在兩個地方。
但量子理論認為，如果一個電子沒有被觀察到，那么它很可能處于A點+B點的疊加態。
為什么電子既在這里又在那里？這聽起來很奇怪，但如果我換個問題，也許就不會那么奇怪了。如果我問你聲音在哪里，你會怎么回答？
顯然，因為我在這里講話，每個人都能聽到我的聲音，所以我的聲音一定在這里和那里。
為什么我說這句話的時候，你們會覺得不舒服呢？因為我的聲音是一種波動，是一種聲波。作為波，它可以充滿整個空間，在你們每個人的耳朵里，所以它處于一種空間疊加的狀態。
為什么量子理論說電子既在這里又在那里？因為在量子理論中，一切事物，無論是電子、光子還是原子，所有粒子在某種程度上都被認為是波。這就是波粒二象性。
圖中是著名的薛定諤方程，意思是量子理論認為任何粒子都應該嚴格按照薛定諤方程運動。薛定諤方程描述的是一種波，所以又叫薛定諤波動方程。
薛定諤是奧地利著名物理學家，量子力學的創始人，他在實驗中總結出了薛定諤方程，我們來看看著名的雙縫干涉實驗。
如果將一束光穿過帶有雙縫的面板，投射到其后方的投影屏幕上，就會出現明暗相間的條紋，即雙縫干涉條紋，這顯然是波的性質的表現。
我們知道光是一種電磁波，我們發現如果用同樣的方法將電子打向雙縫面板，然后投射到后面的投影屏幕上，就會出現明暗條紋，說明電子也具有波動性。
電子不是普通的波，它不同于聲波。聲波確實可以被人聽到，但如果我們觀察一個電子，我們永遠不會看到它同時出現在兩個地方。如果你真的看一個電子，它有一個確定的位置。但當你不看它時，它會穿過雙縫，表現得像波一樣。
當時量子力學的奠基人給出了解釋，他們認為電子不是普通的波，而是概率波，也就是說，電子波不是一個物理實體，而是它出現的各種可能性的疊加，這些疊加加起來就是波。
當我們不看電子時，它看起來就像一束波，就像各種概率的疊加。但是如果我們觀察它，當我們看它時，波就會崩潰，電子就會出現在某個地方。
如果我們看它，它就變成了一個概率波，然后我們再看它，它又出現在另一個地方。它出現的地方是隨機的，我們不知道它會出現在什么地方物理學家薛定諤，它的概率是根據這個波的強度來分布的。
這是當時創立量子力學的人對量子力學的解釋。由于這些人基本上都在丹麥哥本哈根物理研究所，所以這個解釋被稱為哥本哈根詮釋。
這個解釋是不是有點奇怪？當你不看電子時，它只是一個概率波。當你看它時，它會隨機地出現在某個地方。
當時很多著名的科學家也覺得這個解釋很奇怪，其中最著名的就是薛定諤和愛因斯坦，他們認為哥本哈根詮釋很奇怪，很荒謬。
愛因斯坦當時有一句名言：當我們不看月亮的時候，它還在那里嗎？
因為月球也是由原子和分子構成的，如果按照量子理論，任何一個粒子在我們不看的時候都是一個概率波，那么就意味著當我們不看月球的時候，月球也是一個概率波。
于是愛因斯坦和哥本哈根學派發起了科學史上最著名的關于量子理論本質的辯論之一。
薛定諤站在愛因斯坦一邊，雖然他提出了薛定諤方程，但是他認為哥本哈根學派的所謂概率波詮釋是不正確的。
薛定諤同意愛因斯坦的想法，后來拿出一個例子來質疑哥本哈根學派，這就是著名的薛定諤的貓。
薛定諤的貓是什么意思呢？薛定諤說，如果有一枚硬幣，拋出來的時候，有正面和反面兩種狀態。按照量子理論的解釋，當我不看這枚硬幣的時候，這枚硬幣是正面和反面的疊加態，也就是既有正面，也有反面。
假設這枚硬幣確實是正反面的疊加，我現在就把它放進一個裝有連鎖裝置的盒子里，如果硬幣是正面，就會觸發機關，釋放出毒氣。
如果把一只貓放在一個盒子里，然后釋放毒氣，貓就會中毒而死。如果把硬幣倒過來，是反面，一切如常，貓還活著。
薛定諤問：如果盒子是不透明的，打開盒子之前貓的狀態是什么？
顯然，如果你說硬幣是正面+反面的疊加態，我們通過邏輯推導就能立刻知道貓是處于什么狀態，貓肯定是處于活貓和死貓的疊加態。
粒子太小，我們看不到它是不是疊加態，而貓是看得見摸得著的東西，從日常經驗中我們知道貓不可能既死又活，反過來也可以證明微觀粒子的疊加態也不成立，這就是反證法。
但薛定諤貓是1935年提出的，距今已有80多年了。量子力學發展了80多年，我們做了越來越多的實驗，越來越多的證據表明量子疊加在微觀層面上確實存在。但顯然，我們在生活中從未見過既死又活的貓，所以這就成了薛定諤貓帶來的問題。
量子糾纏和量子退相干
如果量子疊加在微觀層面確實存在，那為什么不把它放大到宏觀層面呢?現在我們對這個問題有了答案，這個答案的名字叫“量子退相干”。
在講量子退相干之前，我們先來說說量子理論中一個神奇的性質——量子糾纏。量子糾纏這個詞在前幾年很火，據說這個詞特別文藝，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，他們可以隨機選擇每天穿的衣服的顏色，假設有藍色和綠色，那么男孩可以選擇藍色或者綠色，女孩也可以選擇。
如果男生和女生之間沒有關系，相互獨立，那么他們衣服的顏色也是獨立的，經過簡單的排列組合，就有四種可能。
什么是量子糾纏？比如說，兩個人相愛了，就產生了糾纏，成為情侶之后，就必須穿同色的情侶裝，這樣，兩個人穿的衣服就只有兩種可能，要么是藍色，要么是綠色。在量子理論中，這就叫量子糾纏。
回到薛定諤貓的故事，本質上講的是一個量子糾纏的故事，一枚硬幣有兩種狀態，要么正面，要么反面；一只貓也有兩種狀態，要么活著，要么死去。
如果這枚硬幣和這只貓沒有任何關系，是相互獨立的，那么應該有四種可能的排列組合。
但當我們把貓放進盒子里時，由于有聯鎖裝置，我們發現它們被纏住了，只有兩種可能，如果硬幣正面朝上，貓就死了，反之，貓就活了，它們被纏住了。
在量子理論中，糾纏是指兩個系統成為一個整體，它們的狀態不再是相互獨立的，而是一個整體。如果兩個系統之間發生相互作用，它們的狀態就聯系在一起了，這就叫做量子糾纏。
剛才男孩和女孩之間的糾纏，是一個人與另一個人的糾纏，是一對一的糾纏。一只貓是一個宏觀物體，組成這只貓的粒子可能有一千億億個。貓與一個粒子糾纏，換句話說，是一個粒子與大量粒子的糾纏。
在量子理論中，量子糾纏最大糾纏度只能是一對一，一個粒子一旦跟你糾纏上了，就不能再跟另外一個粒子糾纏了。
但對于貓來說，雖然它作為一個整體與一個粒子發生糾纏，但是它的身體里卻有很多個粒子，你無法阻止它身體里的每個個體粒子繼續以各種方式與外界發生糾纏。
糾纏意味著相互作用。盡管貓被關在盒子里，但除非盒子是超維空間，否則貓還是會不可避免地與外界環境相互作用。貓會在一個隱蔽的場中呼吸、釋放熱量、接收來自宇宙微波背景的輻射。這一切都表明，貓體內的粒子與外界環境的糾纏越來越深。
量子糾纏是一個非常神奇的現象，一旦建立糾纏，即便其中一個粒子飛到宇宙的盡頭，兩個粒子依然能夠保持糾纏狀態。
所以貓和粒子糾纏之后，里面的粒子也繼續和外界糾纏。那么薛定諤的貓盒子里到底發生了什么呢？首先，貓放進去之后，貓和原來的粒子糾纏在一起，是一個整體系統。
然后，在很短的時間內，貓體內的粒子不斷以各種方式與外界環境產生糾纏。這種糾纏可以非常迅速地傳遞。在很短的時間內，這些糾纏可以蔓延到宇宙的盡頭。也就是說，貓很快就和整個宇宙環境產生了糾纏，成為一個不可分割的整體。
那么當我們打開盒子看貓的時候，會發生什么呢？顯然，因為我們也是宇宙環境的一部分，所以當我們打開盒子看貓的時候，我們看到的并不是一只完整的貓，而是一只剃了毛的貓。我們只看到了貓本身，但你看不到貓和整個宇宙之間的各種糾葛，除非你觀察整個宇宙的信息。否則，你就忽略了所有這些信息，只看到了貓本身。
在這種情況下，我只看到貓本身，但我忽略了它與環境之間的所有糾纏信息。在這種情況下會發生什么？這就是量子退相干發揮作用的時候。
退相干告訴我們一件事：在觀察一個系統時，如果忽略這個系統與所有環境之間的糾纏信息，系統的疊加態很快就會消失，退化為一個經典的概率情形。
這就是為什么我們看不到一只既死又活的貓。本質上，退相干是一個可以嚴格證明的數學理論。它可以通過數學推導來證明。今天，我不講數學，只是打個比方。
你可以把量子疊加態想象成一滴墨水，本來就是一個微小粒子上的一滴墨水，當這個粒子和貓糾纏在一起的時候，相當于把這一滴墨水放進了一個杯子里（貓相當于一個杯子）。很快這個疊加態就變成了整個系統的疊加態，相當于這一滴墨水混進了整個杯子里。
但是貓是一個非常大的物體，它不可避免地會繼續與周圍的環境互動，所以你可以想象一下，這個杯子其實并不是密封的，上面布滿了孔洞，而且這個杯子被放在了茫茫大海中。
在極短的時間內，這杯墨水就會很快和周圍的海水混合均勻，也就是說，這滴墨水會很快被稀釋到整個海洋之中。
這時候你看杯子本身，就看不到墨水了，而是很干凈的水，你看不到疊加態，疊加態消失了，它脫離了整個環境。
為什么我們看不到一只既死又活的貓呢？因為貓很大，而且它和周圍的環境有相互作用。你看不到整個宇宙環境和貓之間的糾纏物理學家薛定諤，你只能看到貓本身，所以你只能看到一只要么死要么活的貓。聽起來很牽強，但退相干不僅僅是一個數學推論，它是可以通過實驗證明的。
退相干現象是在20世紀80年代提出的，在隨后的幾十年里，我們進行了許許多多的實驗，徹底證明了退相干的存在。
退相干不僅僅是瞬間發生的，它有一個時間滯后。1996 年，法國物理學家 首次在實驗室中看到一個非常小的系統如何隨著時間的推移逐漸失去其疊加態，并且這與理論完全一致。憑借這項工作，他獲得了 2012 年諾貝爾物理學獎。
到目前為止，我們進行了更多的實驗，如今學術界普遍認為退相干是一種客觀狀態，是可以檢驗的，沒有必要懷疑這一點。
退相干不僅是理解宇宙的一種方式，也成為一種非常實用的工具。例如量子計算機和量子通信等前沿研究。為什么量子計算機在某些問題上能比普通計算機計算得更快？就是因為利用了量子疊加。
普通計算機計算一個比特的時候，要么是0，要么是1，但量子計算機計算的是一個量子比特，是0和1的疊加。所以量子計算機如果計算一個10位數，它就不單單是計算一個數，而是同時計算2的10次方個數，因為每個比特都是0和1的疊加。
如果想要打造一臺非常優秀的量子計算機，最大的困難就是維持系統的疊加態，因為只有疊加態才能進行量子計算。
一個系統如何保持量子疊加？退相干告訴我們要盡可能地將它與世界隔離。它與環境隔離得越徹底，它就越不容易退相干，就越容易保持量子疊加。
我們不僅實現了原子和電子的疊加態，還在1999年做出了富勒烯，也就是碳60的疊加態。今年11月1日，奧地利物理學家宣布，他們實現了近2000個原子的大分子的疊加態。
很多科學家都在努力將這種疊加態保留在細菌層面。也就是說，在不久的將來，雖然我們無法制造出薛定諤的貓，但或許可以實現薛定諤的細菌。這就是退相干告訴我們的原理。
總結一下，我們剛剛回顧了什么是薛定諤的貓，本質上就是問為什么微觀的量子疊加不能被放大到宏觀層面。我們已經知道了這個問題的答案，那就是量子退相干。
量子退相干告訴我們，為什么微觀有疊加態，宏觀沒有，因為宏觀物體跟環境是糾纏在一起的，所以你看不到它的疊加態，就好比今天我站在這里某個位置，沒有被這里疊加，那里疊加。
因為你看到的只是我的一小部分信息。你看不到完整的我。我的大部分信息都與宇宙環境糾纏在一起。但你看不到這一點。你忽略了它。所以你把我看作一個確定的宏觀物體。這就是神奇的量子疊加。
量子理論中仍有一些尚未解決的問題
量子退相干雖然回答了薛定諤貓的問題，但是它并不能解決量子理論中的所有問題。
量子理論是一個非常神奇的理論，雖然它誕生已有一百多年，對我們的生活產生了巨大的影響，成為了現代物理學的支柱，但它還有很多基本問題沒有得到解決。
物理學家們至今仍在為此爭論不休。退相干性依然沒有回答量子力學中的一些基本問題，包括所謂的疊加態到底是真實狀態還是為了方便而假設的數學模型，疊加態會不會徹底消失？當我們觀察貓是死是活時，它會如何選擇？宇宙為什么會有概率？
這些問題至今仍未解決，仍在爭論中，有待未來的研究和發現。
如果我們是上帝，如果我們張開了第三只眼，看著貓，同時觀察整個宇宙，我們就會知道它與宇宙糾纏在一起的所有信息。那時會發生什么？
量子理論中有一種解釋稱，如果你真的能觀察整個宇宙，就會發現疊加態依然存在，不會消失。
就如同那一滴墨水，你看不到杯子里的墨水，但如果你有能力觀察整個海洋，就會發現那一滴墨水并沒有消失，就如同能量一樣，它既不能憑空產生，也不能憑空消失。
我不知道這個解釋是對是錯。它可能是對的，也可能是錯的，我們還在爭論。如果這是真的，薛定諤的貓仍然處于疊加態。雖然我們是宇宙的一部分，但在我們眼里，這只貓可能是活著的，也可能是死去的。
但或許在整個宇宙中，薛定諤貓的生與死依然是疊加糾纏的，或許這就是薛定諤貓的神奇結局，答案究竟是什么，還得在未來去探索。
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