如何给没有高中物理与数学基础的人解释「薛定谔的猫」？
反对除  等少数几个答案之外的所有回答，因为没有确定性的说明“薛定谔的猫”是量子力学发展初期为表明其不完备性而举的一个假设的例子，这一现象在现实中根本就不存在，也完全不符合当今的量子力学理论。对于非相关专业的人们来说，会在误导下将这一既不合理又不存在的现象，错误的理解为量子力学的知识本身，这远远背离了薛定谔等量子学家的本意。我们来了解一下这个问题的前世今生，就能明确的知道为什么。 “量子”概念于1900年12月，由马克思·普朗克在一次德国物理学会的研讨会上提出。他认为热能只能通过微小而离散的“能量团块”进行辐射，而这些能量团不可再分，普朗克称其为“量子”。他的理论表明，能量不像经典辐射理论认为的那样如同水龙头里面连续不断流出的水柱，而是更像从水龙头缓慢滴出的一个个水滴，如同一个个离散的、不可再分的“包”那样传播。 普朗克提出量子理论的五年之后，爱因斯坦进行了拓展，提出包括可见光在内的所有电磁辐射都是量子化的，而非连续的，光以“光子”这种离散的“包裹”或粒子形式存在。这可以解释一个长期困扰物理学家的现象，在高于特定频率的电磁波照射下，光能够将物质内部的电子激发出来，即“光电效应”。爱因斯坦因此而获得1921年的诺贝尔物理学奖，而不是影响更为广泛深远的相对论。 但是，同时也有大量的证据（例如双缝干涉实验）表明光的行为像是一种扩散和连续的波，既像粒子又像波，这在经典物理学的确定性框架内是解释不通的。 1912年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔与欧内斯特·卢瑟福一起在英国工作。卢瑟福刚刚提出了著名的原子行星模型，原子中心有一个极小而致密的原子核，周围环绕着更加微小的在轨道中旋转的电子。但根据传统的电磁理论，绕着带正电的原子核旋转时，带负电的电子会持续的辐射释放能量，从而快速失去能量并朝着原子核螺旋向内运动，导致原子坍缩。而实际上，这种情况并没有发生，当时没有人能解释原子为什么能够保持稳定。 玻尔提出，电子并不能自由的占据原子核外的任意轨道，只能占据某些固定的或量子化的轨道；电子只能从一个轨道跃迁到下一个能级更高或更低的轨道，同时吸收或释放与两个轨道的能级差相同的一团电磁能（一个光子），也就是量子。玻尔迈出了量子革命的第二步：量子（能级）跃迁。 20世纪20年代，物理学家试图构建一个能够完善、统一的描述亚原子世界的数学理论。1925年夏天，年轻的沃纳·海森堡在德国黑尔戈兰岛上养病期间取得了重大进展。海森堡的数学表达所描述的原子行为更加离奇，他认为电子以一种不可知的模糊方式运行，电子本身就没有一个确定的位置。亚原子世界是一个幽灵般非实质的地方，只有在使用仪器进行测量时，才能确定下来成为真实的存在。1927年，包含测不准原理等在内的概念，被简要的概括为“海森堡不确定性原理”，成为量子力学的一个根基。 1926年1月，就在海森堡发展自己理论的同时，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔提出了现在广为人知的波动方程。与海森堡不同，在薛定谔的理论中，电子并不是一个位置不可知的、模糊运行的粒子，而是将其看作是在原子内传播的波。波动方程将某一时刻的量子力学概率波的波形作为输入，然后据此来确定在其它时刻概率波的波形；对于某一个粒子的波函数而言，可以用波动方程来预测在某一时刻、某一位置发现它的概率。 波动方程是目前最为匹配波粒二象性的计算方法，可以预测粒子在不同位置出现的概率，是目前最好用的一个方程，暂时还没有更好的解法。而在当时，他们二人的理论前后脚发表时，互相都没好印象，都认为对方提出的这是一个什么鬼东西！但这两种本质上不同的理论似乎都能解释相同的物理现象。短短几个月之后，薛定谔就证明了，海森堡的理论在逻辑上等同于他自己的理论，只是数学表像上不同。 学界认为海森堡与薛定谔的理论是对量子力学的两种不同的数学解读，在各自的视角下他们都是正确的，与实验结果也完全相符。现在普遍使用的是数学上更容易处理的薛定谔版本。 到了1927年，在海森堡、薛定谔和其他科学家的努力下，量子力学的数学基础基本完成。由此也引出了一个巨大的谜题：量子力学的基本定律是如何演化成为，在解释日常经验上如此成功的经典物理定律的？当原子和亚原子组成宏观物体时，它们是如何将其魔法般的奇异特性隐藏起来而真实、确定、稳定的存在的？微观世界与宏观世界的界限在哪里、跨越的桥梁是什么？ 根据薛定谔的波动方程，波函数是不会坍缩的，这一过程和结果不能通过数学计算得出。波函数的坍缩概念是人为引入的，以解释实际发生的测量时粒子在这或那的科学实验现象。 正是在这种情况下，薛定谔感到困惑：如果量子理论能够否认粒子的实在性，那么从逻辑上说就必须否定由粒子构成的宏观事物的实在性。他确信，像这样不真实的东西不可能成为大自然的普遍规律。为了表明“要想得到合乎逻辑的结论，量子理论就一定是荒谬的！”，薛定谔在1935年提出了将微观领域的量子行为扩展到宏观世界的“猫生死叠加”这样一个假设的例子、一个思想实验，以用来说明量子力学是不完备的。 最初的版本是这样的：一只猫被装在箱子里，毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。而原子核的衰变是随机事件，我们无法知道具体在什么时候衰变；在半衰期内，衰变与否的概率同时存在。也就是说，如果我们不打开箱子看，猫即可能是活的也可能是死的，处于一种生与死的叠加状态，这将微观不确定性推演到了宏观不确定性。 但这个例子只是将原子核衰变与否的概率扩展到了整个箱子，用概率云包裹了整只猫，实际上与量子力学关系不大。猫的生死在每一刻都是确定的，与概率没有直接关系，更与哪个人什么时候打开看毫无关系；决定生死的仅是原子核，哪一刻衰变了就那一刻死，没有衰变时就是活的，只不过我们不打开箱子看不知道而已，更不存在生死叠加。所以，之后升级为了波粒二象性与观测坍缩这样一个在逻辑上更为完善的版本（遗憾的是，这个版本没有像初级版本那样广为人知，但在描述上却是两者混用）。 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 评论中有怀疑这个概率和概率云问题的解释是错误的，把说明放在这，可以跳过。 1、假设半衰期是3个小时，那么在3个小时内的任何一个时间点都有衰变的可能性（概率）。但没有衰变的时候猫是不是肯定活着？只要一衰变猫是不是肯定马上就死？在这个生死的客观事实基础上，概率云包裹猫仅是一种用数学概念包裹现实猫的假设。 2、严格的来说，不是我们没有经过测量而不知道具体状态的所有情形都算叠加态；比如说α粒子没有释放时，就是100%的没有衰变，而一旦释放了α粒子，就是100%的衰变了；没有“α粒子已经被释放”和“α粒子没被释放”这两种状态同时存在的情形，这与电子自旋向上和自旋向下的叠加态是不一样的。 3、一大堆放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间，叫半衰期；这是描述大量原子衰变行为的统计学规律，50%衰变和50%没有衰变的可能性是数学概念；50%的概率对于数量很少的原子将不再准确，对于单个原子更没有意义。 4、人是否打开箱子看，与原子核是否衰变完全没有任何关系，何来造成概率云坍缩一说；切记，初级版本的实验是一个假设，不是事实。 5、正是由于初级实验版本完全是一个假设的情形，既没有真正的叠加态、也完全没有人为测量会导致坍缩的因素；所以，才升级到了波粒二象性的版本，既有波函数同时分布于两个地方（盒子）的叠加，又有观测导致的波函数坍缩这一实际上的现象。 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 发射源发出的粒子/波，被一块半透明的镜子（分束器）分裂成两部分波场（反射一半透射一半），分别进入两个盒子中，粒子/波场同时处于两个盒子的叠加态。当我们打开一个盒子看时（测量），波函数就会立即坍缩到一个盒子中，粒子不是在这个盒子里就是在另一个盒子里。在其中一个盒子里，装入猫、盖格计数器、电子开关、锤子和毒药瓶子。如果这个系统没有受到任何观察，并保持与外部世界分离的状态，粒子就会以波的形式弥漫于两个盒子中处于叠加态，盖格计数器也处于触发和非触发的叠加态，猫处于生与死的叠加态。一旦我们打开任意盒子看一眼，粒子的波场就会立即坍缩到其中一个盒子里；如果在装猫的盒子里面发现了粒子，盖格计数器就会触发，控制电子开关让锤子砸碎瓶子，猫终于100%的、妥妥的死翘翘了；反之，粒子坍缩到另一个盒子中，猫就是活的。 这个实验中有一个关键之处：就是“猫”可以用“人”来代替，而人是有自主意识的，那么天下会有哪一个人，能够想出来“同时处于生与死的叠加状态”这种感受是一种什么样的体验呢？如果量子力学是普遍适用于宇宙的规律，推演到宏观世界时就必须要能够出现实验中的结果，然而无论是在客观事实上还是主观意识上，这种实验现象都无法存在，这其中必然存在巨大的未知问题。 于是，薛定谔的目的达到了，让大家清楚了量子力学之于宏观世界的荒谬性。史蒂芬·霍金第一次听到这个故事时说：“我忍不住要去取枪！”。 现在，我们终于明白了，薛定谔之所以提出“猫”这样一个思想实验，是因为物理学家当时对于微观世界的量子奇异特性，与宏观事物稳定性之间的不可调和一筹莫展。 然而，80年后的今天，我们多数时候却拿这一例子作为量子力学的知识本身来进行传播，与薛定谔的初衷完全背道而驰，其荒谬性不亚于猫这个例子本身。 根据薛定谔不坍缩的波函数，粒子既在这里又在那里，但实验者从未观测到这样的现象，他们总是发现粒子明确的处于某个位置，在某个位置发现的概率与波动方程的计算结果完全一致。我们也从未看到月亮既在这部分夜空、又在那部分夜空，更没有看到一只猫既死了又活着。但只要假定测量行为，可以诱导波函数放弃量子的不确定性状态，并影响众多可能性中的一种（粒子在这或在那）成为现实，那么波函数坍缩的概念就能与我们日常的经典物理经验相一致。 但是，测量究竟是如何造成波函数坍缩的呢？波函数实际上是真的坍缩了吗？所有的测量都会造成波函数坍缩吗？微观水平上到底发生了什么呢？何时发生？持续多久？既然根据薛定谔方程波函数不会坍缩，那么在坍缩阶段又是什么方程取代了波动方程呢？ 上述这些谜团，消耗了很多物理学家毕生的职业生涯。 但是，即使不解决这些问题，量子理论也可以进行精确预言，在实验上取得的巨大成功远远超过了由于不能解释清楚坍缩问题而带来的不满意。所以在很长一段时间内，这些问题都不在物理学家急需解决的关键问题之列。玻尔认为，实验学家的测量就是全部，所测得的数值本身才是值得关注的一切。 但量子力学神奇的预言能力，意味着非常接近隐藏在宇宙表面规律之下的实在性，物理学家还是想要进一步弄清楚量子力学是怎样在波函数与观测坍缩之间架起桥梁的，观测背后的隐秘实在性究竟是什么？ 多年以来，物理学家提出了很多解决量子力学测量问题的方法。虽然这些方法拥有不同的实在性概念，并且不少方法之间差别巨大，但当涉及在实验中会测得什么结果的时候，各种方法却会彼此契合。表面上看，这些方法都是为了解决同一个问题，但背后的机理完全不同。 惠勒的学生埃弗雷特，在1957年提出了所谓的多世界诠释——无穷多个平行宇宙。在他的方案中没有波函数坍缩的概念，波函数中所包含的每一种可能结果都在各自的宇宙中发生。这个脑洞确实很大，但无数个粒子的每一个都有无数种可能、纠缠在一起又产生了无数无数种可能，宇宙的数量需要是粒子的无数无数无数..........无数倍才行，多数人都接受不了这个想法。 20世纪50年代玻姆提出，粒子就像经典物理学中的概念以及爱因斯坦所希望的那样，的确具有确定的位置和速度；但是为了与不确定性原理相一致，这些性质被隐藏起来了，不能同时测量。对于玻姆而言，不确定性代表的只是我们认知上的局限性，而非粒子本身的属性。根据他的观点，既是粒子又是波，粒子的波函数与粒子本身相互作用，波函数引导或推动粒子运动，不存在波函数坍缩阶段。反对者们指出，在玻姆的体系中，波函数对其所推动粒子的影响速度超过了光速。 意大利物理学家詹卡洛·吉拉蒂、艾尔伯特·里米尼、图里奥·韦伯，以一种巧妙的方式大胆的修改了薛定谔方程，同时却对单个粒子的波函数演化没有什么影响，只有将新的方程应用于宏观物体时才会对量子演化产生影响。这个修正版本认为波函数本来就是不稳定的，即使没有任何干预，每个波函数迟早也会按自己的节奏自动坍缩成尖峰形状。他们提出，对于单个粒子而言，波函数的坍缩会自发且随机的发生，平均来说大约每10亿年发生一次。坍缩发生的频率如此之小，单个粒子的量子特性不会有什么改变。但对于由数以亿计的粒子组成的仪器、人等大物体而言，在极短的时间内都至少会有一个粒子的波函数自发坍缩；组成大物体中的所有单个粒子的波函数都是相互纠缠在一起的，因而发生了量子的多米诺效应，使得所有组成粒子的波函数在一瞬间都发生了坍缩，因此宏观物体总是会处于确定性的状态。但反对者们指出，还没有实验证据能够支持他们对波动方程的修改；单个粒子自发坍缩的概率如此之小，现今的技术还无法准确验证。 虽然量子测量问题还没有彻底解决，但过去的几十年中，“退相干”理论框架一直在发展，尽管还不是很完善，但得到了广泛支持，被认为很可能是可行的解决方案的一个组成部分。 退相干性是一种普遍存在的现象，通过压低量子干涉，也就是说强烈的削弱量子力学概率和经典物理学概率之间的核心差异，使得退相干成为跨越微观世界与宏观世界之间的关键。认识到退相干的重要性，最早可以追溯到1970年德国物理学家迪尔特·泽尔发表的一篇开创性文章，之后包括埃里克·乌斯、沃切克·祖莱克等在内的一些物理学家进一步发展了这个理论。诺贝尔奖获得者穆雷·盖尔曼等科学家取得了巨大进展，他们声明已经将退相干发展成了可以解决测量问题的完整理论框架。 退相干的主要思想是，宏观物体要比单个粒子大得多也复杂得多，并且在宇宙中都不是孤立存在的，总是与周围的环境发生联系和接触。无数的粒子间不停的相互碰撞，不断的推动着大物体的波函数，也就是说干扰着宏观物体的干涉性，扰乱了波峰波谷的排列顺序，而波函数的有序排列对于量子效应是至关重要的。一旦环境的退相干性扰乱了波函数，量子概率的奇异特性就会演变成日常生活中熟悉的经典物理。也就是相当于，一个物体的所有量子成分的整体行为和环境因素，共同完成了对物体所有成分的量子测量，所以世界是正常的。 例如屋子里漂浮的灰尘，其波函数在空气分子涨落的影响下，会在万亿亿亿亿分之一秒的时间内退相干；如果这粒尘埃被完美的隔离，只能与阳光有相互作用，那么其波函数的退相干就会慢一些，但也只有十万亿亿分之一秒；如果这粒尘埃漂浮在空无一物的黑暗太空中，只能与大爆炸之后残留下来的微波背景光子相互作用，那么其波函数将会在百万分之一秒内退相干。尘埃这么微小的物体退相干过程都发生得如此之迅速，更大的物体其退相干过程发生得还要快得多。前述猫实验中，粒子的波函数，只要一接触到装猫的盒子或另一个空盒子，就会立刻坍缩，生死立判，既不会叠加也不需要人来打开看。 退相干现象的存在，使得人类意识、实验者的观测等不再起到特殊作用，与空气分子或光子一样的元素并没有什么不同。退相干性允许我们用类似于经典物理学的方式来诠释量子概率，但暂时还无法提供更多的具体发生细节，对于形成最终的测量问题的完美解决方案仍有距离。 回到问题本身，我认为对于量子力学的科普，使用体现波粒二象性的双缝干涉实验，辅以激光、芯片、计算机、核磁共振等具体应用为例，就能够达到一定的效果。而继续使用“薛定谔的猫”，这一80年前量子力学特定发展阶段、为了表明相对于宏观事物荒谬性的概念来作为知识本身进行传播，又不明确说明这仅是一个假设的例子、实际上并不存在这一现象，也完全不符合量子力学理论，的确非常的不合适。如果科普对象是初、高中学生，将严谨的科学知识变成了生与死的玄幻，莫不如说是一种毒害。 我现在觉得，想要从理论上说清楚“薛定谔的猫”这一现象根本不存在，更加困难。这个故事传播的如此广泛，难道就是因为大家都喜欢“猫”吗？老薛一定后悔当初为什么不用猪或狗来举例。。。。。。 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 目前，能够做到几百万个原子组成的金属、几百个原子组成的有机物，在极短的时间内实现某一种量子态；但至少有两个必要条件，绝对低温、最大程度孤立，不然量子计算机的进展也不会这么慢。 生物体内的确存在瞬时的、工作频繁的量子隧穿、量子漫步、量子测量、叠加态等量子效应，并且对于生命体的运转至关重要。不过量子生物学起步很晚，科研进展还不大。 .