薛定谔猫是物理学四大神兽之一，它不是指某种动物，而是一种思想实验。经典的薛定谔猫思想实验，如今已经成为量子力学的代名词。薛定谔猫到底是死是活？它和量子有什么关系？
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2003年的一天，我突然萌生了在网上连载量子力学科普文章的冲动，没想到这些文章后来被整理出版成了一本书，书名叫做《上帝会掷骰子吗？》。
那时，互联网才刚刚起步，普通人对于“量子”一词还十分陌生，更别说薛定谔的猫了，大家可能还以为那是一位姓薛的老人养的猫。
那时我怎么也没有想到，在随后的十几年里，“量子”一词会迅速深入人心，成为今天非常流行、时尚的词汇。
如今量子已经渗透到了每个人的日常生活中，包括小说、动漫、电影、电视都在不断借用量子的概念。我们和朋友聊天的时候，似乎不聊几次量子就显得不够高端了。
很多不良商家打着量子的旗号推销一些产品，比如量子鞋垫，量子减肥，还有最近流行的量子波速读，科普是好事，但一定要正确，千万不要被忽悠了。
薛定谔猫就是一个典型的例子，很多人都或多或少地听说过这个名词，但是我发现很多人对于所谓的薛定谔猫问题存在一定的误解。
网上有很多关于薛定谔猫的科普文章，有些夸张，甚至含有一些误导性的内容。
很多人可能不知道，如果脱离上下文来看待薛定谔猫的问题，其实这个问题已经有了答案，只是很多人可能不知道。所以我就来详细说说这只著名的“既死又活”的猫吧。
薛定谔的猫是死是活？
薛定谔猫的问题是什么？首先量子论中有一个非常有趣的概念叫量子叠加。如果我抛出一枚硬币，然后我把它拿在手里，当我不看它的时候，它处于什么状态？在传统的、古典的物理学中，这枚硬币一定处于某种状态。
虽然我没见过，但硬币要么是正面，要么是反面。但量子理论就不一样了。量子理论认为，当我们没看到硬币的时候，硬币是正面+反面的状态，这是一种量子叠加态。
从不太严格的意义上讲，你可以想象当我不看这枚硬币时，它既有正的一面，也有反的一面。所以量子叠加是量子理论中很常见的状态。
如果我们现在问电子在哪里？我们通常把电子想象成一个小球，但如果它是一个普通的小球，比如篮球，那么它一定有一个确定的位置，要么在这里，要么在那里，它不可能同时在两个地方。
但量子理论认为，如果一个电子没有被观察到，那么它很可能处于A点+B点的叠加态。
为什么电子既在这里又在那里？这听起来很奇怪，但如果我换个问题，也许就不会那么奇怪了。如果我问你声音在哪里，你会怎么回答？
显然，因为我在这里讲话，每个人都能听到我的声音，所以我的声音一定在这里和那里。
为什么我说这句话的时候，你们会觉得不舒服呢？因为我的声音是一种波动，是一种声波。作为波，它可以充满整个空间，在你们每个人的耳朵里，所以它处于一种空间叠加的状态。
为什么量子理论说电子既在这里又在那里？因为在量子理论中，一切事物，无论是电子、光子还是原子，所有粒子在某种程度上都被认为是波。这就是波粒二象性。
图中是著名的薛定谔方程，意思是量子理论认为任何粒子都应该严格按照薛定谔方程运动。薛定谔方程描述的是一种波，所以又叫薛定谔波动方程。
薛定谔是奥地利著名物理学家，量子力学的创始人，他在实验中总结出了薛定谔方程，我们来看看著名的双缝干涉实验。
如果将一束光穿过带有双缝的面板，投射到其后方的投影屏幕上，就会出现明暗相间的条纹，即双缝干涉条纹，这显然是波的性质的表现。
我们知道光是一种电磁波，我们发现如果用同样的方法将电子打向双缝面板，然后投射到后面的投影屏幕上，就会出现明暗条纹，说明电子也具有波动性。
电子不是普通的波，它不同于声波。声波确实可以被人听到，但如果我们观察一个电子，我们永远不会看到它同时出现在两个地方。如果你真的看一个电子，它有一个确定的位置。但当你不看它时，它会穿过双缝，表现得像波一样。
当时量子力学的奠基人给出了解释，他们认为电子不是普通的波，而是概率波，也就是说，电子波不是一个物理实体，而是它出现的各种可能性的叠加，这些叠加加起来就是波。
当我们不看电子时，它看起来就像一束波，就像各种概率的叠加。但是如果我们观察它，当我们看它时，波就会崩溃，电子就会出现在某个地方。
如果我们看它，它就变成了一个概率波，然后我们再看它，它又出现在另一个地方。它出现的地方是随机的，我们不知道它会出现在什么地方物理学家薛定谔，它的概率是根据这个波的强度来分布的。
这是当时创立量子力学的人对量子力学的解释。由于这些人基本上都在丹麦哥本哈根物理研究所，所以这个解释被称为哥本哈根诠释。
这个解释是不是有点奇怪？当你不看电子时，它只是一个概率波。当你看它时，它会随机地出现在某个地方。
当时很多著名的科学家也觉得这个解释很奇怪，其中最著名的就是薛定谔和爱因斯坦，他们认为哥本哈根诠释很奇怪，很荒谬。
爱因斯坦当时有一句名言：当我们不看月亮的时候，它还在那里吗？
因为月球也是由原子和分子构成的，如果按照量子理论，任何一个粒子在我们不看的时候都是一个概率波，那么就意味着当我们不看月球的时候，月球也是一个概率波。
于是爱因斯坦和哥本哈根学派发起了科学史上最著名的关于量子理论本质的辩论之一。
薛定谔站在爱因斯坦一边，虽然他提出了薛定谔方程，但是他认为哥本哈根学派的所谓概率波诠释是不正确的。
薛定谔同意爱因斯坦的想法，后来拿出一个例子来质疑哥本哈根学派，这就是著名的薛定谔的猫。
薛定谔的猫是什么意思呢？薛定谔说，如果有一枚硬币，抛出来的时候，有正面和反面两种状态。按照量子理论的解释，当我不看这枚硬币的时候，这枚硬币是正面和反面的叠加态，也就是既有正面，也有反面。
假设这枚硬币确实是正反面的叠加，我现在就把它放进一个装有连锁装置的盒子里，如果硬币是正面，就会触发机关，释放出毒气。
如果把一只猫放在一个盒子里，然后释放毒气，猫就会中毒而死。如果把硬币倒过来，是反面，一切如常，猫还活着。
薛定谔问：如果盒子是不透明的，打开盒子之前猫的状态是什么？
显然，如果你说硬币是正面+反面的叠加态，我们通过逻辑推导就能立刻知道猫是处于什么状态，猫肯定是处于活猫和死猫的叠加态。
粒子太小，我们看不到它是不是叠加态，而猫是看得见摸得着的东西，从日常经验中我们知道猫不可能既死又活，反过来也可以证明微观粒子的叠加态也不成立，这就是反证法。
但薛定谔猫是1935年提出的，距今已有80多年了。量子力学发展了80多年，我们做了越来越多的实验，越来越多的证据表明量子叠加在微观层面上确实存在。但显然，我们在生活中从未见过既死又活的猫，所以这就成了薛定谔猫带来的问题。
量子纠缠和量子退相干
如果量子叠加在微观层面确实存在，那为什么不把它放大到宏观层面呢?现在我们对这个问题有了答案，这个答案的名字叫“量子退相干”。
在讲量子退相干之前，我们先来说说量子理论中一个神奇的性质——量子纠缠。量子纠缠这个词在前几年很火，据说这个词特别文艺，受到文艺青年的追捧。
量子纠缠是什么意思呢？举个例子，如果有一男一女，他们可以随机选择每天穿的衣服的颜色，假设有蓝色和绿色，那么男孩可以选择蓝色或者绿色，女孩也可以选择。
如果男生和女生之间没有关系，相互独立，那么他们衣服的颜色也是独立的，经过简单的排列组合，就有四种可能。
什么是量子纠缠？比如说，两个人相爱了，就产生了纠缠，成为情侣之后，就必须穿同色的情侣装，这样，两个人穿的衣服就只有两种可能，要么是蓝色，要么是绿色。在量子理论中，这就叫量子纠缠。
回到薛定谔猫的故事，本质上讲的是一个量子纠缠的故事，一枚硬币有两种状态，要么正面，要么反面；一只猫也有两种状态，要么活着，要么死去。
如果这枚硬币和这只猫没有任何关系，是相互独立的，那么应该有四种可能的排列组合。
但当我们把猫放进盒子里时，由于有联锁装置，我们发现它们被缠住了，只有两种可能，如果硬币正面朝上，猫就死了，反之，猫就活了，它们被缠住了。
在量子理论中，纠缠是指两个系统成为一个整体，它们的状态不再是相互独立的，而是一个整体。如果两个系统之间发生相互作用，它们的状态就联系在一起了，这就叫做量子纠缠。
刚才男孩和女孩之间的纠缠，是一个人与另一个人的纠缠，是一对一的纠缠。一只猫是一个宏观物体，组成这只猫的粒子可能有一千亿亿个。猫与一个粒子纠缠，换句话说，是一个粒子与大量粒子的纠缠。
在量子理论中，量子纠缠最大纠缠度只能是一对一，一个粒子一旦跟你纠缠上了，就不能再跟另外一个粒子纠缠了。
但对于猫来说，虽然它作为一个整体与一个粒子发生纠缠，但是它的身体里却有很多个粒子，你无法阻止它身体里的每个个体粒子继续以各种方式与外界发生纠缠。
纠缠意味着相互作用。尽管猫被关在盒子里，但除非盒子是超维空间，否则猫还是会不可避免地与外界环境相互作用。猫会在一个隐蔽的场中呼吸、释放热量、接收来自宇宙微波背景的辐射。这一切都表明，猫体内的粒子与外界环境的纠缠越来越深。
量子纠缠是一个非常神奇的现象，一旦建立纠缠，即便其中一个粒子飞到宇宙的尽头，两个粒子依然能够保持纠缠状态。
所以猫和粒子纠缠之后，里面的粒子也继续和外界纠缠。那么薛定谔的猫盒子里到底发生了什么呢？首先，猫放进去之后，猫和原来的粒子纠缠在一起，是一个整体系统。
然后，在很短的时间内，猫体内的粒子不断以各种方式与外界环境产生纠缠。这种纠缠可以非常迅速地传递。在很短的时间内，这些纠缠可以蔓延到宇宙的尽头。也就是说，猫很快就和整个宇宙环境产生了纠缠，成为一个不可分割的整体。
那么当我们打开盒子看猫的时候，会发生什么呢？显然，因为我们也是宇宙环境的一部分，所以当我们打开盒子看猫的时候，我们看到的并不是一只完整的猫，而是一只剃了毛的猫。我们只看到了猫本身，但你看不到猫和整个宇宙之间的各种纠葛，除非你观察整个宇宙的信息。否则，你就忽略了所有这些信息，只看到了猫本身。
在这种情况下，我只看到猫本身，但我忽略了它与环境之间的所有纠缠信息。在这种情况下会发生什么？这就是量子退相干发挥作用的时候。
退相干告诉我们一件事：在观察一个系统时，如果忽略这个系统与所有环境之间的纠缠信息，系统的叠加态很快就会消失，退化为一个经典的概率情形。
这就是为什么我们看不到一只既死又活的猫。本质上，退相干是一个可以严格证明的数学理论。它可以通过数学推导来证明。今天，我不讲数学，只是打个比方。
你可以把量子叠加态想象成一滴墨水，本来就是一个微小粒子上的一滴墨水，当这个粒子和猫纠缠在一起的时候，相当于把这一滴墨水放进了一个杯子里（猫相当于一个杯子）。很快这个叠加态就变成了整个系统的叠加态，相当于这一滴墨水混进了整个杯子里。
但是猫是一个非常大的物体，它不可避免地会继续与周围的环境互动，所以你可以想象一下，这个杯子其实并不是密封的，上面布满了孔洞，而且这个杯子被放在了茫茫大海中。
在极短的时间内，这杯墨水就会很快和周围的海水混合均匀，也就是说，这滴墨水会很快被稀释到整个海洋之中。
这时候你看杯子本身，就看不到墨水了，而是很干净的水，你看不到叠加态，叠加态消失了，它脱离了整个环境。
为什么我们看不到一只既死又活的猫呢？因为猫很大，而且它和周围的环境有相互作用。你看不到整个宇宙环境和猫之间的纠缠物理学家薛定谔，你只能看到猫本身，所以你只能看到一只要么死要么活的猫。听起来很牵强，但退相干不仅仅是一个数学推论，它是可以通过实验证明的。
退相干现象是在20世纪80年代提出的，在随后的几十年里，我们进行了许许多多的实验，彻底证明了退相干的存在。
退相干不仅仅是瞬间发生的，它有一个时间滞后。1996 年，法国物理学家 首次在实验室中看到一个非常小的系统如何随着时间的推移逐渐失去其叠加态，并且这与理论完全一致。凭借这项工作，他获得了 2012 年诺贝尔物理学奖。
到目前为止，我们进行了更多的实验，如今学术界普遍认为退相干是一种客观状态，是可以检验的，没有必要怀疑这一点。
退相干不仅是理解宇宙的一种方式，也成为一种非常实用的工具。例如量子计算机和量子通信等前沿研究。为什么量子计算机在某些问题上能比普通计算机计算得更快？就是因为利用了量子叠加。
普通计算机计算一个比特的时候，要么是0，要么是1，但量子计算机计算的是一个量子比特，是0和1的叠加。所以量子计算机如果计算一个10位数，它就不单单是计算一个数，而是同时计算2的10次方个数，因为每个比特都是0和1的叠加。
如果想要打造一台非常优秀的量子计算机，最大的困难就是维持系统的叠加态，因为只有叠加态才能进行量子计算。
一个系统如何保持量子叠加？退相干告诉我们要尽可能地将它与世界隔离。它与环境隔离得越彻底，它就越不容易退相干，就越容易保持量子叠加。
我们不仅实现了原子和电子的叠加态，还在1999年做出了富勒烯，也就是碳60的叠加态。今年11月1日，奥地利物理学家宣布，他们实现了近2000个原子的大分子的叠加态。
很多科学家都在努力将这种叠加态保留在细菌层面。也就是说，在不久的将来，虽然我们无法制造出薛定谔的猫，但或许可以实现薛定谔的细菌。这就是退相干告诉我们的原理。
总结一下，我们刚刚回顾了什么是薛定谔的猫，本质上就是问为什么微观的量子叠加不能被放大到宏观层面。我们已经知道了这个问题的答案，那就是量子退相干。
量子退相干告诉我们，为什么微观有叠加态，宏观没有，因为宏观物体跟环境是纠缠在一起的，所以你看不到它的叠加态，就好比今天我站在这里某个位置，没有被这里叠加，那里叠加。
因为你看到的只是我的一小部分信息。你看不到完整的我。我的大部分信息都与宇宙环境纠缠在一起。但你看不到这一点。你忽略了它。所以你把我看作一个确定的宏观物体。这就是神奇的量子叠加。
量子理论中仍有一些尚未解决的问题
量子退相干虽然回答了薛定谔猫的问题，但是它并不能解决量子理论中的所有问题。
量子理论是一个非常神奇的理论，虽然它诞生已有一百多年，对我们的生活产生了巨大的影响，成为了现代物理学的支柱，但它还有很多基本问题没有得到解决。
物理学家们至今仍在为此争论不休。退相干性依然没有回答量子力学中的一些基本问题，包括所谓的叠加态到底是真实状态还是为了方便而假设的数学模型，叠加态会不会彻底消失？当我们观察猫是死是活时，它会如何选择？宇宙为什么会有概率？
这些问题至今仍未解决，仍在争论中，有待未来的研究和发现。
如果我们是上帝，如果我们张开了第三只眼，看着猫，同时观察整个宇宙，我们就会知道它与宇宙纠缠在一起的所有信息。那时会发生什么？
量子理论中有一种解释称，如果你真的能观察整个宇宙，就会发现叠加态依然存在，不会消失。
就如同那一滴墨水，你看不到杯子里的墨水，但如果你有能力观察整个海洋，就会发现那一滴墨水并没有消失，就如同能量一样，它既不能凭空产生，也不能凭空消失。
我不知道这个解释是对是错。它可能是对的，也可能是错的，我们还在争论。如果这是真的，薛定谔的猫仍然处于叠加态。虽然我们是宇宙的一部分，但在我们眼里，这只猫可能是活着的，也可能是死去的。
但或许在整个宇宙中，薛定谔猫的生与死依然是叠加纠缠的，或许这就是薛定谔猫的神奇结局，答案究竟是什么，还得在未来去探索。
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