量子力学薛定谔的猫

薛定谔的猫是什么梗?

“薛定谔的猫”是1935年奥地利物理学家薛定谔做的一个实验：在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质。在一小时内，大约有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫，剩下50%的概率是放射性物质不会衰变而猫将活下来。

应用简单来说，你在拆快递之前，快递盒里的东西可能是好的，也可能是坏的，好和坏是同时存在的，只有在打开盒子的一瞬间，两种可能性才坍塌到一种可能性，要么是好坍塌到坏，要么是坏坍塌到好。

薛定谔：

是奥地利的物理学家，同时他也是量子力学的奠基人之一，还促进和发展了分子生物学，同时也建立了波动力学，薛定谔提出的薛定谔方程是量子力学中描述微观粒子运动的基本定律，在量子力学中，薛定谔方程的地位相当于经典力学中的牛顿三定律。

由此可见，在量子力学中，薛定谔的地位并不低，他不止在物理学上有所建树，还在生物学和哲学上有很深的研究，并且也获得过诺贝尔奖项，除了这些研究成果之外，“薛定谔的猫”这个思想实验对全世界以及量子力学的发展都造成了巨大的影响。

薛定谔的猫是什么意思？

意思是：将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。

根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。但是，不可能存在既死又活的猫，则必须在打开容器后才知道结果。

该实验试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理的问题，巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来，以此求证观测介入时量子的存在形式。随着量子物理学的发展，薛定谔的猫还延伸出了平行宇宙等物理问题和哲学争议。

影响及意义：

量子力学作为20世纪最有突破的科学成就之一，也是最具争议的科学之一。“薛定谔的猫”很好的阐述了这一现状，人们不能接受量子力学是因为它的不确定性。

对于传统的物理学来说，只要找到了事物之间相关的联系，就能在每时每刻确定，事物之间相关的物理数据，比如说，物体运行距离等于物体的速度乘以物体运行的时间，只要知道物体的速度，你每时每刻都能计算出物体运行了多远。

然而海森堡提出的量子不确定性原理使得你无法预知一个微观粒子未来的状态，正如爱因斯坦所说的：上帝不玩骰子，但是量子力学让我们不得不相信，上帝似乎是玩骰子的。

薛定谔的猫，是一种怎样的实验，为什么说它非常神奇？

“薛定谔的猫”并不是像名字所说薛定谔养了一只猫，而是薛定谔所假设的一个有关猫的实验。实验的内容是：假设把一只猫放在密闭的房间里，且该房间有一个释放毒气的装置。该装置由放射性原子控制，如果该放射性原子衰变，释放粒子和能量从而变为相对稳定的原子，那么装置就会自动释放毒气，毒死这只猫；如果放射性原子没有衰变，那么毒气就不会释放，猫也能幸免于难。那么在人们没有打开房间观察前，这只猫处于什么状态？

一般人可能会疑惑，这只猫要么是死的，要么是活的，这算什么问题呢？当然薛定谔提出的这个实验不是要以常规的观点思考的。这个问题是针对物理中量子力学哥本哈根学派的观点所提出的。按照哥本哈根学派的理论，一个粒子在未被人观测时，处于各种可能性叠加的状态，只有在被观测到时，才能确定它的状态。同样的，放射性原子衰变也是一个随机事件，我们并不能知道什么时候会发生衰变，只有在观测时，才能确定它有没有衰变。

这个实验神奇的地方在于，将量子力学的理论用于放射性原子是没有问题的，但用在猫的身上时会发现：如果不进行观测，放射性原子处于衰变和没有衰变的叠加状态，衰变时猫就会死，没有衰变猫就是活的，所以猫处于死和活的叠加状态，只有在观测后才能知道猫是活的还是死的。

但死和活的叠加状态是什么状态？一只猫怎么会又是死的又是活的呢？量子力学的理论在这只猫身上看起来是如此的可笑。薛定谔提出的这个佯缪实际上是为了引导科学家注意一个物理现象：微观尺度的叠加原理是否同样适用于宏观世界？该实验将微观的放射性原子和宏观的猫结合在一起，巧妙地否定了宏观世界的量子叠加状态，因而这只猫直至现在仍在科学家中很“出名”。

薛定谔的猫到底能说明什么？

薛定谔的猫是广泛用来证明量子力学叠加态存在的、著名的思想实验。但本人对此不以为然！我们可以从时间的本质以及具体的计时、时间先后比较过程就可发现：时间不可能因为任何因素而改变自身的流失速率和流失方向。猫的生死无论由什么事件决定，但猫在任意时刻只能处于唯一的状态中，与人类是否观察不存在因果关系。由此决定了客观事物与主观认识间的关系是：客观事物是不以人的意志为转移的，即不会因为主观认识的不同而变化。因此，薛定谔的猫决不能证明量子叠加态真实存在。

一、薛定谔的猫的基本概念

薛定谔的猫是奥地利著名物理学家薛定谔提出的一个思想实验，试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理的问题，巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来，以此求证观测介入时量子的存在形式。薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的著名思想实验，是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演。这里必须要认识量子行为的一个现象：观测。

微观物质有不同的存在形式，即粒子和波。通常，微观物质以波的叠加混沌态存在；一旦观测后，它们立刻选择成为粒子。实验是这样的：在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质。之后，有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫，同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。根据经典物理学，在盒子里必将发生这两个结果之一，而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。在量子的世界里，当盒子处于关闭状态，整个系统则一直保持不确定性的波态，即猫生死叠加。

猫到底是死是活必须在盒子打开后，外部观测者观测时，物质以粒子形式表现后才能确定。这项实验旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解，可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理，客观规律不以人的意志为转移，猫既活又死违背了逻辑思维。薛定谔的猫本身是一个假设的概念，随着技术的发展，人们在光子、原子、分子中实现了薛定谔猫态，甚至已经开始尝试用病毒来制备薛定谔猫态，人们已经越来越接近实现生命体的薛定谔猫。可是另外一方面，人们发现薛定谔猫态（量子叠加态）本身就在生命过程中存在着，且是生物生存不可缺少的。［摘自百度百科］

二、薛定谔的猫的真实内涵

1、时间与时刻的关系

为了更好地阐述薛定谔的猫的真实内涵，有必要先简述一下时间与时刻的概念与相互关系。

一般认为：时间是描述事物运动与变化过程的一个基本物理量。但其真实的含义是两个不同时刻间的差值。因此，时刻才是描述事物运动与变化过程的一个基本物理量。也就是：任何客观实体及其基本属性在任意特定时刻是明确的、唯一的。

如：客观实体的空间位置、几何形态、与邻近其他客观实体间的相互作用关系等只能为唯一的。哪怕该客观实体处于高速运动中，只要其运动速度不是无穷大，则其空间位置在任意特定时刻均必须是唯一的，不可能处于二个或二个以上的空间位置上，且与其有关的几何形态以及与其它客观实体间的相互作用关系也只能是唯一的。

只有考察同一客观实体在两个不同时刻的状态时，才会存在运动速度、空间位置和自身状态的变化以及与其它客观实体间相互作用的变化等物理现象。

2、薛定谔的猫的真实含义

2.1、从时刻数轴上来分析猫的状态　

薛定谔的猫到底能说明什么？

如上图一所示：当猫在时刻t=4时死亡，则猫的状态就固定下来了：时刻t=4之前，猫是活着的；而时刻t=4之后，猫是死了的。因此，从时刻轴上来看：猫在任意特定时刻只处于某一特定状态中，不会也不可能同时存在于二种状态的叠加态中。

2.2、从时刻数轴上来分析观测的结果

从上图一可知：当观测时刻明确后，观测结果也随之确定了：当在t=4时刻之前观测时，观测结果为猫活着；当在t=4时刻之后观测时，观测结果为猫已死亡；当在t=4时刻观测时，正好观测到猫死去。

2.3、从时刻数轴上来分析观测与猫的状态间的关系

从以上分析可知：在不考虑观测过程对实验对象（猫）的干扰前提下，观测结果只能与实验对象在观测时刻所处的状态一致，不会因观测而改变实验对象的状态。虽然我们不可能在观测前知道猫的实际存在状态，但这并不能说明实验对象有可能处于二种或二种以上的状态之叠加态中。因为实验对象所处状态与是否观测没有因果关系和必然联系！

三、量子叠加态存在的可能性分析

1、量子态的基本概念

电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。这种稳恒的运动状态称为量子态。量子态是由一组量子数表征，这组量子数的数目等于粒子的自由度数。［摘自百度百度］

2量子数的基本概念

量子数是量子力学中表述原子核外电子运动的一组整数或半整数。因为核外电子运动状态的变化不是连续的，而是量子化的，所以量子数的取值也不是连续的，而只能取一组整数或半整数。量子数包括主量子数n、角量子数l、磁量子数m和自旋量子数s四种，前三种是在数学解析薛定谔方程过程中引出的，而最后一种则是为了表述电子的自旋运动提出的。

量子数表征原子、分子、原子核或亚原子粒子状态和性质的数。通常取整数或半整数分立值。量子数是这些粒子系统内部一定相互作用下存在某些守恒量的反映，与这些守恒量相联系的量子数又称为好量子数，它们可表征粒子系统的状态和性质。在原子物理学中，对于单电子原子（包括碱金属原子）处于一定的状态，有一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。［摘自百度百度］

量子数：n、l、m和s的取值范围为：

n＝1，2，3，4，........，i，......，∞；

l＝0，1，2，3，........，n-1，......，∞；

m＝0，±1，±2，...….，±l

s＝±1/2

3、量子态的叠加可能性分析

3.1、量子态定义本身就禁止量子同时处于二种或二种以上的非量子数可取值范围的状态中：从量子态的定义可知：量子态是电子做恒稳运动过程中，能量完全确定状态下的运动状态的表达方式。在量子态不发生变化时，特定量子态的量子所处的状态由四种确定的量子数所决定。四种量子数只能分别取整数或半整数值的确定的、单一数值决定了量子态只能是唯一的、确定的，同时否定了同时处于二种或二种以上的量子态的所谓叠加态的可能性！

3.2、量子的运动速度为有限值决定了量子不可能同时处于二种或二种以上的状态中：任何客观实体及其附属的物理特性的运动和变化速度均是有限的，这就决定了客观实体及其物理特性在特定时刻只能位于特定的、唯一的空间位置上，不能同时位于二个或二个以上的空间位置上！由此决定了量子在任意特定时刻只能处于唯一的状态中。

3.3、决定量子运动变化的万有引力和电磁力在特定时刻具有的唯一性决定了量子不可能同时处于二种或二种以上的状态中：无论是带质量和电荷的电子或其他粒子型量子，其运动状态的改变均由其所在空间位置上即时的万有引力场和电磁场的大小与方向共同决定。

而任意空间位置上任意特定时刻的即时万有引力场和电磁场的大小与方向均是确定的、唯一的，由此决定了量子的运动状态的改变也是唯一的。而不带质量和电荷的量子，则因不会受到万有引力场和电磁场的影响而改变量子态，其稳定性比带质量和电荷的量子更强，更不可能同时处于二种或二种以上的状态中。

四、测量对量子态的影响分析

无论量子处于何种状态，测量只能如实地发现或确定量子所处的状态，并不能改变量子的状态。除非测量过程中改变了量子所在空间位置上的万有引力场和电磁场。就算是因为测量改变了量子态，量子在改变前后和改变过程中的任意时刻也只能处于一种状态，决不可能同时处于二种或二种以上的状态中。就像观测猫是死是活一样，测量只能得到猫的即时状态，并不能改变猫的状态。

五、总　结

1、猫的状态是唯一的，不以人的意志为转移：无论是放射性元素随机触发还是定时触发毒气释放而使猫死亡，猫在时刻轴上任意时间的状态是唯一的！无论人何时观察或根本不观察，均不会改变猫的存在状态。因此，虽然在没有打开箱子观测猫的状态前，人不可能知道猫的状态，但并不能因此认定猫处于生死两种态的叠加状态中；

2、量子的状态是唯一的且量子数只能取整数或半整数值决定了量子不可能处于非整数或半整数值的量子叠加态：由量子态的定义可知：量子只能处于特定的、确定的、唯一的状态中，否则就破坏了量子态的基本规则。如：主量子数只能是1，2，3，.....等整数值，如果主量子数可以是非整数值，就不是处于量子态了。如果量子真的能处于不同量子态的叠加态，则因为叠加本身不受任何限制，将可以组成任意量子态，即非整数量子数的任意量子态，也就可以由此得到量子数的取值不受限制，这就不成其为量子态了！

3、量子的状态可能因测量而改变，但不能使量子处于叠加态：测量过程可能改变量子状态，但改变的过程中，量子也只能处于特定的、唯一的量子态中，不可能使量子处于二种或二种以上的叠加态中。

“薛定谔的猫”与量子力学的关系是什么？你怎么看？

简单地说“薛定谔的猫”当初提出的目的是嘲讽哥本哈根派对于量子力学的解释，而现在却成了量子力学最知名的“代言”。现在抓个人来问一下应该都听说过薛定谔的猫，并且知道跟量子力学有点关系。接下来讲一下薛定谔的猫的背景故事。

我们知道爱因斯坦虽然提出了相对论，且对经典力学进行了修正，但是本质上并为跳出“确定论”的观点，如果给出数据就可以计算出确定的结果。而对于量子力学中不确定原理，关于量子位置的不确定，爱因斯坦戏称为“上帝掷骰子”。

这个思想实验是著名的物理学家薛定谔在1935年提出来的。实验假设，我们将一只猫关在一个盒子里，盒子放入一点点放射性原子，如果放射性原子发生衰变，那么将会触发有毒气体的药瓶，将毒死猫。那么当我们没观测盒子里猫的时候，猫就是以两种形式展现，死去的猫或活着的猫。只有当我们打开盒子的时候才知道猫的死活状态，也就是放射性原子可以处于未衰变和已衰变的两种叠加态。（也就是猫的生和死是叠加在一起的）。