2.既活又死
——上帝不做选择

在量子理论的所有奇幻场景中，很少有比薛定谔的那只可怜的既不活也不死的小猫更为人所知了。它描述了一只猫被锁在一个封闭的盒子里，盒子里有一些放射性物质，如果放射性物质衰变，那么一个装置将检测到衰变并释放一把锤子，锤子会打碎一小瓶毒药从而杀死猫。如果放射性物质不衰变，猫就会活下来。薛定谔设计出这个可怕的思想实验，本来是要批评量子理论的荒谬性。根据量子理论，在任何人打开盒子检查猫之前，猫既没有活着，也没有死，它处在一个奇怪的、典型的生与死的叠加态。

今天，在我们喜爱喵星人的时代里，薛定谔奇怪的小故事常常被当作笑料，让人觉得滑稽而非忧虑， 它也成了物理学和哲学领域众多难题的典型代表。而在薛定谔当时的时代，尼尔斯·玻尔和沃纳·海森伯宣称，处于叠加态的薛定谔的猫就是大自然的一个基本特征，而另一些人，比如爱因斯坦，则坚持认为大自然一定会作出选择，猫只能是活着或者死了，不可能既活又死。

尽管薛定谔的猫作为一种文化符号蓬勃发展到今天，但对此的讨论往往忽略了一个重要方面：薛定谔最初构思它的时代背景。面对迫近的世界大战、种族灭绝和德国土崩瓦解的精神生活，薛定谔在思想实验中加入了毒药、死亡和毁灭，这并非巧合。因此，薛定谔的猫带给我们的不仅是量子力学的奇思妙想，同时也提醒我们，科学家和我们其他人一样，有情感，也有恐惧。

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薛定谔是在1935年夏天与阿尔伯特·爱因斯坦的交流中提出的这个思想实验。二人在20世纪20年代末便结下了深厚的友谊，当时他们都住在柏林。那时，爱因斯坦的相对论使他一举成名。他的科学研究生活总是被世俗打断，比如，国家联盟委员会的会议、犹太复国主义的演说等。薛定谔的原籍是维也纳，他1927年被任命为柏林大学的教授，仅仅一年后，他便提出了著名的量子力学的波动方程（现在简称为“薛定谔方程”）。他们有时一起在薛定谔家里享受维也纳香肠派对，有时一起于夏季在爱因斯坦家附近的湖面上游船。

好景不长，他们的快乐生活很快就结束了，希特勒于1933年1月就任德国总理。当时，爱因斯坦正在加州帕萨迪纳拜访。趁他不在时，纳粹突然搜查了他在柏林的公寓和夏日小屋，冻结了他的银行账户。爱因斯坦不得不辞去普鲁士科学院的职务，并很快去了美国新泽西州的普林斯顿大学，成为普林斯顿新成立的高等研究院的首批成员。

薛定谔虽然不是犹太人，在政治上也比爱因斯坦低调，但在那年春天，当他看到纳粹举行大规模的焚书集会活动以及对大学教师实施的种族限制后，薛定谔接受了牛津大学的奖学金，于夏天离开了柏林。当年8月，他在路上写信给爱因斯坦：“不幸的是，像大多数人一样，我最近几个月来一直没有平静的时间认真做任何事。”

没过多久，他们之间的交流又逐渐频繁起来，曾经悠闲的漫步被横跨大西洋的书信所取代。在1933年中断交流之前，两位物理学家都为量子理论作出了巨大贡献，事实上，两人都因此而获得诺贝尔奖，但二人也都因为其他物理学家对他们方程式的不同理解而感到失望。例如，尼尔斯·玻尔坚持认为，根据量子理论，粒子在测量之前，在各种属性上都没有确定的值，就好像一个人在踩到秤上之前没有固定的重量一样。这样说来，量子理论似乎只能揭示各种事件的概率，而不像牛顿定律或爱因斯坦相对论那样可以提供坚实的预测。玻尔的论点未能说服爱因斯坦和薛定谔，现在虽然被海洋隔开，但通过信纸和邮票，他们重新投入到激烈的讨论中。

1935年5月，爱因斯坦与高级研究所的两位年轻同事鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和纳森·罗森（Nathan Rosen）发表了一篇论文，指出量子力学是不完备的。他们解释说：“物体应该有实在的要素——准确的数值和属性，然而量子理论仅仅只给出了概率。” 6月初，薛定谔写信祝贺他的朋友发表最新文章，称赞爱因斯坦“公开要求那些武断的量子力学支持者们解释我们曾在柏林讨论过的那些课题”。10天后，爱因斯坦向薛定谔回应说，“这场沉浸在认识论中的闹剧该结束了”——他们口中“闹剧”的出演者便是以玻尔和海森伯为代表的哥本哈根学派，他们都认为量子力学已经完美地解释了这个概率性的世界。

这次交流让薛定谔的猫的思想实验萌芽。在之后给薛定谔的一封信中，爱因斯坦举了一个例子：有两个相同的盒子，其中一个盒子里面有一个小球，在打开盒子之前，在任何一个盒子中有小球的概率为50%。“这是一个完备的描述吗？”爱因斯坦问道，“不，一个完备的描述应该是：球在（或不在）第一个盒子中。” 爱因斯坦坚信，在原子尺度上的完备理论应该能够计算出一个明确的值。对爱因斯坦而言，只计算概率意味着没有完成最后一步。

在薛定谔热情的鼓舞下，爱因斯坦进一步推演了他的这个想法，若是把物理学家们谈论的微观过程放大到宏观尺度会怎么样呢？在8月初写给薛定谔的信中，爱因斯坦设想了一个新的方案：想象一堆性质不稳定的火药，有可能在一年内爆炸或不爆炸。他写道：“原则上这很适合用量子力学的形式表示。”对于火药这一年内的情况，薛定谔方程的解释看上去合情合理，然而，如果这样，这时波函数ψ（薛定谔在1926年引入量子理论的波函数）描述的便是一种既还没爆炸又已经爆炸了的混合状态。爱因斯坦在信中激动地表示，不仅仅是玻尔，所有物理学家都不应该接受这种无稽之谈，因为“现实中并不存在介于已爆炸和未爆炸之间的状态”。 他坚信大自然必定会在两者间作出选择，而物理学家也应该如此。

在当时，爱因斯坦其实也可以举出其他的例子来批判对量子概率的描述，但他特别选择了火药和爆炸，很可能意在反映当时欧洲日益恶化的局势。早在1933年4月，他就写信给另一位同事谈论自己对像希特勒这样的“病态煽动者”掌权的看法，信中说“我相信你知道我有多么确信事物之间是存在因果关系的”，量子和政治都一样。同年晚些时候，他在伦敦一个座无虚席的礼堂内，发表了有关“暴风雨中时代的闪电”的演说。他在给另一位同事的信中说，他惊恐地看到“正在秘密大规模地重整军备。工厂日夜不停地制造（飞机、轻型炸弹、坦克和重型武器）”——大量炸药正在静待引爆。到1935年，在与薛定谔就量子理论进行热情交流时，爱因斯坦公开宣布放弃他先前对和平主义的承诺。

由于受到与爱因斯坦交流的启发，薛定谔开始撰写他自己的长论文——《量子力学的现状》（ The Present Situation in Quantum Mechanics ）。当收到爱因斯坦有关火药爆炸思想实验的信10天后，薛定谔回复了他想到的更新奇的想法：如果盒子里放的不是火药，而是一只猫呢？

薛定谔写道：“在密闭的盒子里放一只猫、一个盖革计数器和少量的铀，因为铀的量非常少，所以在一个小时内，铀原子中有一个原子衰变和不衰变的概率各一半。如果衰变发生，通过放大继电器，会带动装置砸碎一瓶氰化物，残忍地毒死盒子里的猫。”与爱因斯坦的例子一样，薛定谔设想在预定的一个小时中，根据量子力学的理论，“猫生与死的状态是同时存在的”。爱因斯坦非常高兴，并在9月初回信道：“你的猫实验说明我们的意见完全相同，既包含生又包含死的波函数ψ不能被用来描述现实的状况。”

薛定谔收到爱因斯坦回信后没几个月，举世闻名的薛定谔的猫实验就在《自然科学》（ Die Naturwissenschaften ） 杂志上刊登出来了，措辞几乎与信中完全一样。然而这篇论文差点在印刷之前夭折。就在薛定谔给该杂志投稿后的几天，创刊编辑、犹太物理学家阿诺德·柏林（Arnold Berliner）被解雇了。薛定谔本想要撤回稿件表示抗议，直到柏林本人亲自说情他才作罢。

那年夏天，使薛定谔担忧的绝不仅是阿诺德·柏林受到不公的待遇。他对纳粹政权的厌恶已经表露无遗，在被迫逃离柏林的时候，他已经成为彻底的宿命论者。他在日记中写道：“也许是我对这个世界了解得还不够多，或者我还没有准备好如何面对……”抵达牛津几个月后，一个来拜访他的朋友注意到，对形势的担忧加上背井离乡的压力让他每天都郁郁寡欢。1935年5月，就在爱因斯坦、波多尔斯基和罗森的论文发表的同时，薛定谔在BBC广播做了一场20分钟的演讲，题为“自由的平等与相对性”，回顾了历史上多次“用绞架、行刑柱、刀剑和大炮对付德高望重的自由人”的政治迫害。 伴随着法西斯进军的鼓点，难怪盒子里的球很快变成炸药、毒药以及令人毛骨悚然的生死计算。

他的论文发表时，薛定谔写信给玻尔，尝试让他和其他人解释量子力学的这些奇异的性质。薛定谔希望能与玻尔直接探讨这些问题，就像与爱因斯坦的交流一样。但是，那个时代对他们的影响越来越大。薛定谔写道：“多么希望能像以前一样长期定居，清楚地知道自己接下来五到十年应该干什么。” 然而，现实生活却只能在不确定的概率中不断地遭受打击。

当时的欧洲正陷入深深的黑暗之中。就在薛定谔发表猫和氰化物的实验几年后，纳粹的工程师们在毒气室中开始用同样的毒药（代号“Zyklon B”）展开了无情的屠杀。1942年3月，在被关入集中营之前，《自然科学》杂志的前创刊编辑阿诺德·柏林自杀了——他的生命最终选择了残酷的确定性。

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多年之后，薛定谔很难设想出来，想要挫败量子力学的思想实验，最终却成为用来教授量子论的经典案例之一。量子力学的一个核心原则就是粒子可以存在于叠加态中，可以同时拥有两个相反的特性。尽管我们在日常生活中常常面对“非此即彼”的抉择，而大自然——至少在遵从量子理论的描述中——是可以接受“既此亦彼”的。

几十年来，物理学家已经成功地在实验室中实现了多个类似“薛定谔的猫”的实验，实验将某种物质粒子转变为“既此亦彼”的叠加态，并探测它们的相关属性。尽管薛定谔对此保留意见，然而每一次实验结果都与量子力学理论的预测相一致。在最近的一次试验中，我和我麻省理工学院的同事们就证明了中微子——一种与普通物质相互作用非常微弱的亚原子粒子——可以在叠加态下运动数百英里 。

现如今，“薛定谔的猫”几乎闻名于所有的物理课堂内外，但对于很多人来说，并不知道这只双重命运的猫还带着双重的讽刺意味。很少有人知道薛定谔设计这个实验是为了批判而非解释量子力学。也很少有人知道，在那个年代，“薛定谔的猫”还暗喻了那个动荡的世界——一个奇怪的、充满威胁的、让人捉摸不透的世界。 9fdWojFSn8sofjfXKJ0/p3rhwDGr92f5YOL8efWGpDfPZPSy2AgXscYit/mzaLmq