物理学中的神兽：薛定谔的猫
芝诺的乌龟、拉普拉斯妖、麦克斯韦妖和薛定谔的猫被戏称为物理学的四大神兽。
前面三个已经有了明确结论，而薛定谔的猫还在物理学的世界中游荡…
猫
1935年，奥地利物理学家薛定谔发表了一篇论文，题为《量子力学的现状》，文中提出了“薛定谔的猫”这一著名的思想实验。
实验是这样：假设把一只猫关在一个封闭的容器里，容器中装置有一台盖革计数器，内置入极少量放射性物质。若衰变事件发生，计数器将放电并通过继电器启动一个榔头打破装有氰化氢的烧瓶。氰化氢挥发将毒死猫。
根据量子力学哥本哈根学派的解释，粒子何时衰变是随机的，只要没有观察或者测量，粒子的状态模糊不清，它处于衰变/不衰变的叠加态（既衰变又不衰变）。
猫实验的神奇之处在于把微观世界的量子叠加效应放大到宏观世界。通过计数器、继电器、榔头和毒气瓶，猫的生死与粒子的衰变联系起来，粒子处于衰变/不衰变的叠加态，猫也处于一种生/死的叠加态。这种叠加态难以用语言直观地描述，尽可能精确地话，就是猫处于一种既死又活，或者要死不活的状态。
其次，根据哥本哈根学派的解释，只有打开箱子观察或测量后，粒子才从衰变/不衰变的叠加态随机地选择一种衰变或不衰变的状态出现，用术语描述就是，粒子从衰变/不衰变的叠加态坍缩为一种衰变或不衰变的确定态。
由于猫的生死与粒子的衰变联系在一起，因此，一旦打开箱子观察，猫也从生/死的叠加态坍缩为一种生或者死的确定态。注意：你的观察导致了粒子叠加态的坍缩，也就是说，你的观察决定了猫的生死！
这跟宏观世界的直觉如此的违和！按照日常世界的经验，我打开箱子观察，是获知猫的生死，而不是决定猫的生死。
这就是猫实验的神奇之处，它将量子世界的叠加效应和波函数坍缩巧妙地放大到宏观世界。
论战
薛定谔提出猫实验的背景要放到量子力学那波澜壮阔的历史中去了解，这段历史中最浓墨重彩的就是爱因斯坦与波尔的三次论战。
第一次论战发生在1927年第五届索尔维会议，会议的主题是“电子与光子”，参会的29人中，有17人先后获得诺贝尔奖，这次会议黄金阵容是空前的，大概率也是绝后的。
参会人员分为三派：
哥本哈根派：以波尔为首，包括波恩，泡利，海森堡…
反哥本哈根派：以爱因斯坦为首，包括薛定谔，德布罗意
吃瓜群众派：洛伦茨，康普顿，居里夫人…
1927年，哥本哈根派基本建立起了新量子力学的大厦，波恩的概率解释，海森堡的不确定性原理和波尔的互补原理构成了量子力学的哥本哈根诠释。前两者摧毁了世界的因果律，后两者又合力干掉了世界的绝对客观性。
会议充满了火药味，物理学家们分成了泾渭分明的阵营，互相炮轰。
第一回合，泡利干掉了德布罗意，他炮轰了德布罗意的导波理论，使得德布罗意不得不公开声明放弃他的观点。
第二回合，薛定谔提出了电子云，认为没有“一个电子”，只有“一团电子云”，但是受到了海森堡和波恩的猛烈开火。
看着手下两员大将相继落败，爱因斯坦开始赤膊上阵。
他直接提出一个模型：一个电子通过一个小孔得到衍射图像。按照哥本哈根的解释，电子在到达感光屏前不确定，以波函数的形式扩散到整个宇宙中，无处不在，但是在抵达感光屏的刹那间，波函数塌缩成一个点，在到达的一瞬间概率就变成了100%，这种随机性难道不是要以超距作用为前提吗？
爱因斯坦话音刚落，波尔就开始摇头。
会议也很快演变成爱因斯坦和波尔之间的论战。经常是爱因斯坦上午提出一个诘难，傍晚波尔就已经心中有数了，然后解释给爱因斯坦听。
虽然爱因斯坦提不出反驳，但是心里是不服气的。
爱因斯坦当然是不服气的，他虔诚地信仰因果律，以至决不能相信哥本哈根那种愤世嫉俗的概率解释。这次论战也留下一段经典的对话：
爱因斯坦：“波尔，亲爱的上帝不掷骰子！”
波尔：“爱因斯坦，别去指挥上帝应该怎么做！”
1930年，第六届索尔维会议如期而至。过去三年间，哥本哈根的阵营不断壮大，伽莫夫、朗道，还有来自中国的周培源、张宗燧等。但是面对爱因斯坦，波尔丝毫不敢大意。
这次，爱因斯坦带来了他的光箱实验，直击哥本哈根诠释的基础——不确定性原理。这次攻击蓄谋已久，如白虹贯日，直中要害。波尔对此毫无思想准备，他大吃一惊，却一时想不出任何反击的办法。
根据参会的罗森菲尔德回忆：波尔极力游说每一个人，试图使他们相信爱因斯坦说的不可能是真的，不然那就是物理学的末日了，但是他想不出任何反驳来。
但是，经过一夜苦思，波尔想出了破解之法，一个妙到毫巅的巧招。他用广义相对论的红移效应巧妙地破掉了爱因斯坦的光箱实验，好一招“以彼之道，还施彼身”。
第二次论战，波尔大获全胜。
由于一个叫希特勒的人，爱因斯坦被迫流亡美国，未能出席第七届索尔维会议。
但是，爱因斯坦和他的两个同事波多尔斯基和罗森在Physics Review上发现了一篇论文，名叫《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗》，再次对量子论的基础发起攻击。这个思想实验就是著名的EPR佯谬。
简单来说就是，一个母粒子分裂成两个向相反方向飞去的小粒子，理论上这两个小粒子具有相反的自旋状态。
按照量子力学的解释，两个粒子的自旋处于左/右的叠加态。现在我们观察A粒子，它的波函数一瞬间坍缩了，随机地选择一种自旋状态（比方说左旋）。由于两个粒子总体要守恒，那么B粒子肯定就是右旋了。
问题是，A粒子和B粒子已经相隔非常遥远了，比如说一个在宇宙的这一端，一个在宇宙的另一端，它们是如何及时地通信，使得A粒子坍缩成左旋的一刹那，B粒子同时塌缩成右旋呢？难道有超光速信号在它们之间传递吗？
爱因斯坦和波尔的三次论战促进了量子力学的发展，但他们之间并没有什么深仇大恨，相反，有时还会一起撸个串。
爱因斯坦和波尔的根本矛盾在于“三观不同”。爱因斯坦笃信经典物理，认为世界是定域的（没有超光速信号的传播），又是实在的（存在一个不依赖于人观测的客观确定的世界），即定域实在性。
而波尔认为世界是随机的，量子论的解释是正确而完备的。两人终其一生都没能说服对方。
在爱因斯坦提出EPR佯谬后，薛定谔大为高兴，称赞爱因斯坦抓住了量子力学的小辫子。他也发表了一个题为《量子力学现状》的论文，提出了那只神奇的猫。
薛定谔的猫把量子效应放大到我们的日常世界，扎得哥本哈根派够呛。他们不得不咽下这杯苦酒：是的，在我们没有观察前，猫的确是既死又活的。
裁决
虽然薛定谔的猫比EPR辛辣许多，但是EPR却是可以为实验所检验的。
约翰·斯图尔特·贝尔1964年提出了一个强有力的数学不等式，指出在定域性和实在性的双重假设下，同时测量两个分隔的粒子时，其结果的可能关联程度必须满足一个严格的限制。这就是贝尔不等式，被称为“科学中最深刻的发现”。
简单来说，如果测量结果满足贝尔不等式，那么两个粒子服从定域实在性，爱因斯坦获胜！
如果测量结果突破了贝尔不等式，那么定域性和实在性必须放弃一个，波尔获胜！
波尔还是爱因斯坦？物理学家终于行动起来，准备以实践为检验真理的唯一标准，确确实实地求证一下，世界究竟符合谁的描述。
1982年暮夏和初秋之交，法国巴黎，奥赛理论应用与光学研究所，科学家们第一次从实验上对EPR进行检验。
3个小时的漫长等待后，实验结果出来了，爱因斯坦输了！
实验结果和量子论的预言完全符合，而与爱因斯坦的预测却偏离了5个标准方差。
全世界的人们都试图重复这一实验。
1998年，奥地利因斯布鲁克大学，30个标准方差；
2000年，潘建伟，8个标准方差；
2003年，……
越来越多的实验结果都指向了量子力学，粒子们顽强地保持一种微妙而神奇的联系，一次又一次把那个宣称不可侵犯的教条踩在脚下。
爱因斯坦的梦想如同泡沫般破碎在无情的数据面前。我们再也回不去那个因果关系一丝不苟，宇宙本质简单易懂的经典世界了。
经过贝尔不等式的世纪裁决，量子力学以胜利者的姿态出现。现在摆在人们面前的艰难抉择是：定域性和实在性必须放弃一个。
放弃实在性，那就要承认在我们观测之前，粒子不存在于“客观实在”之内，承认猫处于既生且死的叠加态。
放弃定域性，就要容忍某种超光速的信号在体系内来回。
坍缩
经过近百年的发展，量子论在物理界几乎每一个角落都取得令人目眩的成功。
但是量子论是不是大功告成了呢？
没有。80年过去了，波函数的塌缩仍然是一道难解的谜，波函数为什么会塌缩？塌缩的机制是什么？用物理学家戈特弗雷德的话来说，“坍缩”就像是“一个美丽理论上的一道丑陋疤痕”。
物理学家提出了多种解释。
1. 哥本哈根解释。
哥本哈根解释认为测量或观察导致了波函数坍缩。但是，测量或观察，这是一种暧昧不清，模棱两可的语言。测量或观察的本质是什么？
冯·诺依曼指出，测量仪器是由不确定的粒子组成，它们也拥有自己的波函数。当我们用仪器去测量电子通过左缝还是右缝时，电子的波函数发生塌缩，但是仪器本身的波函数陷入一种模糊的叠加态中。当用B仪器去测量A仪器时，A仪器波函数发生了塌缩，但是B仪器陷入模糊不定中。这叫作“无限复归”。
但是，当我们看到仪器报告后，这个过程就结束了。为什么人介入这个过程，游戏就结束了呢？
冯·诺依曼的朋友，诺贝尔奖得主，物理学家魏格纳说，意识在波函数塌缩中担当了一个重要角色。
Oh，My God！是不是玩得过火了？
大多数物理学家对此保持小心谨慎的态度，持有一种更正统的哥本哈根观点。然而，所谓的正统观念其实是一种鸵鸟政策，实际上就是把塌缩这个问题抛到一边。
2. 多世界解释
多世界解释也叫平行宇宙解释，宇宙学家和科幻迷是它的最爱。
这一解释巧妙绕过了塌缩，认为波函数无需“坍缩”，去随机选择左还是右，事实上两种可能都发生了！只不过它表现为整个世界的叠加：一个世界中的人们发现电子通过了左边的狭缝，而在另一个世界中，人们观察到的电子则在右边！量子过程造就了两个世界，这就是“多世界解释”。
薛定谔的猫也不必再为死活问题困扰。只不过是宇宙分裂成了两个，一个有活猫，一个有死猫罢了。对于那个活猫的宇宙，猫是一直活着的，不存在死活叠加的问题。对于死猫的宇宙，猫在分裂的那一刻就实实在在地死了，不要等人们打开箱子才“坍缩”，从而盖棺定论。
从宇宙诞生以来，已经进行过无数次这样的分裂，它的数量以几何级数增长，很快趋于无穷。我们现在处于的这个宇宙只不过是其中的一个罢了。
3. 隐变量理论
隐变量理论起源于德布罗意，约翰·玻姆重新发现，并进一步扩展而成。
德布罗意、玻姆都与爱因斯坦一样，信奉一个古典客观、简洁明确，一切都由严格的因果律来主宰的世界。
隐变量理论认为量子世界也有严格的因果关系，只不过存在我们尚未发现的隐藏变量。完整的图像应该包含隐藏变量，包含了隐变量的理论就可以完整解释物理系统所有可观测量的演化行为，而避免任何不确定性或随机性。
可惜的是，玻姆为了恢复世界的实在性和决定性，却放弃了定域性。这个理论也未得到爱因斯坦的正面认可。
4. 系综解释
系综解释认为量子态描述的是系综的统计性质，量子论的描述只能针对系统的“全集”，而非单个个体。
回到双峰干涉实验，系综解释认为对全体粒子，有50%通过了左边，有50%通过了右边。
但是“单个粒子通过了哪里”，对不起，系综解释说，这个问题没有物理意义！这是一种外交式的圆滑。
除了上述解释外，还有自发定域理论，退相干历史，以及许多其他的解释。1997年在马里兰大学一次量子力学研讨会上，有人在与会者中做了一次问卷调查，统计他们相信哪一种关于量子论的解释。
结果是这样的：哥本哈根解释13票，多宇宙8票，隐变量4票，自发定域理论1票，还有18票都是说还没有想好。
遐思
回到卷首薛定谔的猫，这个实验是在追问关于量子论的两个基本问题：
1）如何理解叠加性？既死又活的猫到底是种什么状态？
2）塌缩的机制是什么？为什么看了一眼就决定了猫的死活？
这是量子论惹人遐思的迷人之处。