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物理学四大神兽“薛丁格的猫”，其实是在嘲讽量子力学？物理学家对波函数机率诠释的争辩

我们探讨了德布罗意提出物质波的概念，指出微观粒子如电子也具有波的特性，这一点已被实验所证实。

延伸阅读：量子革命的开端——物质波的发现

然而，故事并未因此结束。随着相关研究的深入，物理学家对物质波的启示展开了激烈辩论。一些在量子力学发展初期做出卓越贡献的物理学家并不认同量子理论的主流观点，甚至提出了薛丁格的猫这一思想实验，爱因斯坦也曾言道：“上帝不会掷骰子。”

究竟，发生了什么事情呢?

从确定性到不确定性

在 20 世纪以前，古典物理学基于决定论，认为掌握某一时刻系统中所有物体的状态，就能根据物理定律预测系统未来的演变。比如，当一颗苹果从树上掉下，我们可以根据物理法则计算出它掉到地面的时间和速度。

然而，量子力学的观点则不同，认为量子系统的行为无法完全确定，只能用机率描述。这一观点源自德布罗意提出的物质波概念。

1926 年，奥地利物理学家薛丁格发表了薛丁格方程式，用来描述物质波的波函数。他成功地用该方程式解释了氢原子的光谱能量，开启了量子力学的新篇章。然而，波函数的物理意义一度难以被理解。

几个月后，德国物理学家玻恩提出了波函数的机率诠释，认为波函数与量子系统的状态机率有关。当我们测量量子系统时，系统可能呈现不同状态，其机率由波函数决定。这一观点对当时的物理学界造成了巨大冲击。

决定论的终结?波函数的机率诠释与冲击

玻恩的机率诠释表明量子系统在测量后呈现的状态无法事先确定，只能了解系统可能状态的机率大小。这种理解框架革命性地挑战了决定论的世界观，部分物理学家因此感到不满。德布罗意和薛丁格对此持保留态度，而爱因斯坦则认为量子力学还不够完备，坚信“上帝不会掷骰子”。

尽管有反对声音，量子力学的机率诠释在经过多次验证后成为主流观点。量子系统在测量前的状态是未确定的，所有可能状态以叠加形式同时存在，而测量后才会呈现其中一种。这一观点对传统的决定论提出了挑战。

根据量子力学的主流说法，量子系统的状态在测量之前是未确定的，所有可能状态以叠加形式同时存在，测量后才会呈现其中一种。这就像在抽卡时，不同的卡都有一定机率会出现，但具体出现哪一张卡，要等抽取后才知道。

此外，在量子系统中，有些物理量无法同时精确测量，例如粒子的位置和动量，这称为不确定性原理。对爱因斯坦等支持决定论的科学家来说，无法确切预测和精确测量物理系统状态的量子理论是不够完备的。他们认为在量子力学背后，应该还有一些隐藏的变量，导致我们无法完整预测和测量量子系统。

1935年，爱因斯坦在与薛丁格的通信中，提出一个想法来质疑量子理论的叠加态概念：想象一桶品质不稳定的火药，经过一段时间后，可能会爆炸，也可能不会爆炸，那么这桶火药岂不是处于爆炸与未爆炸之间的叠加状态?

受到爱因斯坦的启发，薛丁格进一步提出了“薛丁格的猫”思想实验：把一只猫放进铁制房间，里面有测量辐射的侦测器和少量放射性物质。放射性物质衰变是随机的，处于衰变与未衰变的叠加态。如果放射性物质衰变，侦测器会触发机关释放毒气，猫就会死亡;如果没有衰变，猫则活着。整个系统的波函数处于猫活着和猫死亡的叠加状态。

薛丁格提出了著名的思想实验“薛丁格的猫”，反驳量子力学的叠加态说法。图/Envato

这一思想实验引发了人们对量子理论的深刻思考。薛丁格提出这个实验，是为了强调量子叠加态的荒谬性，反对量子理论的测量诠释。对爱因斯坦和薛丁格来说，物理真实应该是确定的，而不是机率和叠加的。

世界是决定论还是机率论?

薛丁格的猫思想实验提出后，引发了更多的讨论和质疑。例如：既然量子系统的状态要测量之后才会确定，那么猫的死活是要我们打开房间观察后才会知道吗?还是说，猫自己本身就可以是一个测量者呢?需要有一个生命意识去测量它吗?到底，猫的死活是在什么时候确定的呢?

尽管目前学界对测量问题还不算有一致公认的答案，但我们对量子力学的认知，已经比薛丁格那个时候增加许多，所以爱因斯坦和薛丁格对量子力学的质疑，以及薛丁格的猫引发的疑窦，我们已有能力给出大致确定但不完全尘埃落定的答覆。

在下一集，我们将继续探讨这些问题，“上帝真的不玩骰子吗?”