更新时间：2024-09-20 15:58
薛定谔的猫（Schrödinger's Cat），是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（Schrodinger）提出的一个思想实验。实验将一只猫与装有毒气的瓶子关在一起，同时在盒子内设置一个由放射性物质控制的机关，机关连接着一个锤子，当机关被触发时锤子会打碎装有毒气的瓶子。放射性物质有几率发生衰变，如果放射性物质发生衰变，会触发机关打碎瓶子，放出毒气，猫会死；如果放射性物质不发生衰变，猫就存活。这个实验的核心在于：外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果；按照量子力学的解释，在没有打开盒子之前，不能说猫是死的也不能说猫是活的，猫的死活一直保持在这种不确定的状态下，即：猫既生又死，处于一种生与死的叠加态，但在宏观经验上，猫的死活是一个确定的状态，不存在既生又死的猫，这是一个悖论。
20 世纪初，量子力学对微观现象的解释逻辑已经能够自洽，但量子力学的前提即关于不确定性和测量作用的假设，仍引起了当时许多物理学家包括阿尔伯特·爱因斯坦（Einstein）与埃尔温·薛定谔的质疑，薛定谔在与爱因斯坦的通信中，提出了这个思想性实验，以“薛定谔猫”的悖论性质疑哥本哈根学派的量子力学解释，由此而掀起一场载入史册的科学争论，使得的针对量子理论的各种争论开始出现，不少量子力学效应如量子隧穿效应、量子纠缠等在宏观尺度的推广也会导致类似薛定谔猫的悖论，通过这些争论，哥本哈根学派的量子力学的理论解释越来越完善，开始被广为接受。
学者们希望量子力学具有宏观与微观的普适性。1925到1935年间，以埃尔温·薛定谔和阿尔伯特·爱因斯坦为代表的传统经典观点一直与以尼尔斯·玻尔（Bohr）、海森伯格（Heisenberg）和马克斯·玻恩（Born）为代表的哥本哈根学派（Copenhagen School）进行论战。
1927年，海森伯格提出不确定性原理，认为宏观的基本概念如质量、位置和速度放到微观中时无法被测量，当用宏观仪器去测量时会干扰微观粒子的行为，测得的数据是微观粒子被干扰后的结果，无法准确掌握微观粒子的本来面目。
1928年，尼尔斯·玻尔提出互补原理，认为原子现象不能用经典力学所要求的完备性来描述，构成完备的经典描述的物理特性是互补的，不会在同一次测量中出现，但在描述和解释微观现象时具有并协性，缺一不可。
1935年，爱因斯坦（Einstein）与波多尔斯基、罗森发表一篇论文，对量子力学的完备性进行了质疑并设计了EPR思想实验，EPR思想实验将两个微观粒子相互作用后分开，通过测量其中一个粒子就可以不直接测量而通过推算得到另一个微观粒子的物理状态；尼尔斯·玻尔作出回应，EPR思想实验的整个微观粒子和测量仪器构成了一个整体，测量单个粒子的时候就已经对该粒子施加了干扰，由此而推算出的另一个粒子的物理状态也并不正确。同年，为了质疑量子力学的完备性，埃尔温·薛定谔在与爱因斯坦的通信讨论中提出了薛定谔的猫这个思想实验，提出了“薛定谔的猫”思想实验，实验中，猫的死活是客观存在的，却由观测者的观测行为决定，形成了一个悖论。
放射性物质会发生衰变，但对于某一具体时刻来说，原子发生衰变与否是概率性的。原子衰变与否决定猫的生死，客观上，盒子里必将出现生或死两个结果之一，外部观测者只有打开盒子才能知道盒子里的结果。
将一只小猫和一瓶有毒气体（比如氰化氢[qíng huà qīng]）放在一个密闭的盒子中，无法透过盒子观测到盒子内的情况的。盒子中放置一台盖革－米勒计数器，其中放入极少量的放射性物质，由于放射性原子数量极少，在一定时间（比如1 小时）内，每一个原子衰变与否的概率均为50%。放射性原子控制盖革计数器，盖革计数器控制其所在电路构成的电子开关，电子开关控制控制悬挂在装有有毒气体气体的瓶子上方的锤子。如果原子发生衰变放出粒子，盖革－米勒计数器计数，盖革管放电，电路导通，继电器启动锤子，锤子下落打破毒气瓶，有毒气体气体释放出来，小猫将被毒死。如果原子没有发生衰变，小猫存活。
要知道猫的死活，就需要打开盒子查看，按量子力学理论，在未打开盒子之前，猫的死活无法确定，处在死与活的叠加态上，而打开盒子就相当于进行了一次测量，打开盒子使得猫的死活得以确定，即测量改变了猫的状态，但实际上，猫的生死是客观存在的，并不是由外界观测者是否观测而决定的结果，这就形成了一个悖论。
自薛定谔时代以来，人们提出了对量子力学的其他解释，这些解释对薛定谔的猫提出的叠加态持续多长时间以及叠加态何时崩溃的问题给出了不同的答案。
哥本哈根诠释是认识论的一种扩展，理论上，猫处于生与死的叠加态，但实际上猫只有生或死这两种状态，具体是哪一种状态只有在观测的时候才能得知，打开盒子时叠加态将坍缩到生或死两种状态之一。
艾弗瑞特提出的多世界诠释认为，猫死与猫活这两种结果分属两个独立平行且真实存在的世界，是观测者的观察行为将整个世界分裂成两个平行版本，两个平行世界的唯一的区别在于其中一个世界中，原子衰变了，猫死了；而在另一个世界中，原子没有衰变，猫还活着。这个诠释的优点是：始终满足薛定谔方程，波函数不坍缩，简化了基本理论。多世界诠释的困境是：设想过于离奇，催生了许多同样真实的平行世界。
退相干解释认为，宏观物体不会展示出量子相干性，而是会发生退相干。宏观物体必定与其外部环境相互作用，即使组成环境的单个微粒很小，与宏观物理碰撞时能量交换可以忽略不计，环境也可以记录宏观物体运动信息，从而与宏观物体形成量子纠缠，发生量子退相干。实验中，猫的生死与原子的衰变相关联（相干）而使得猫处于生与死的叠加态，当打开盒子时， 盒子内的一切所构成的系统与观测者的观测行为发生相互作用，使得猫与原子衰变的关联性丧失（退相干），猫的生死变为一种确定的状态——非生即死。
约翰·冯·诺依曼解释认为，通过系统和仪器的相互作用，系统和仪器被看成一个服从量子力学演化规律的整体，当把整体推导到被测系统部分，人们就可看到量子退相干或波包坍缩现象。冯·诺依曼设想将放射性物质用设备观测，观测的设备又由另一个设备观测，以此类推形成一个设备链，当最后一个仪器被有意识的人观察时，就会使发生量子退相干或波包坍缩现象。放到薛定谔的猫中，打开盒子之前猫处于生死叠加态，有意思的人的观测引起了猫由生死叠加态坍塌到生或死的其中一种状态。
尼尔斯·玻尔认为，量子物体的波动性与粒子性互补；量子物体究竟是波还是粒子的问题无意义；外在世界并非独立，而是无法摆脱地与人们对它的感知纠缠在一起。放到薛定谔的猫中，猫并非即死又活而是非死即活，但猫的死活是互补的，猫的生存状态由死猫与活猫两个概念一起使用才能全面描述，缺一不可。
系综诠释认为，量子的状态与单个量子无关，而是与一个由多个构成完全相同而状态不同量子构成的假想集合（系综）有关，对于量子状态的描述实质是是对一个系综的描述。放到薛定谔的猫中，盒子里的猫不是单独的一只猫，是一个由许多只外在完全相同而生死状态不同的猫构成的集合，打开盒子的观测行为是在这个集合里取出了一只猫。
关系诠释认为，任何事物都可被视为“观测者”，观测者与被观测者的没有严格的区别，两者是平等的，不同的观察者能根据了解到的信息对同一事物可以给出不同的描述，每一个描述都与特定的观察者相关。放到薛定谔的猫中，猫可以是观测者，人也是观测者，猫根据自身的死活而观测到整个装置是否启动，即是否由叠加态塌陷到某一确定的状态，在未打开盒子前，人观测到的是整个装置是启动与未启动两种状态叠加的，直到打开盒子，人也与猫一样观测到了装置是否启动，两个观测者描述的系统状态，共同塌陷到了某一确定的状态。
交易诠释认为，当前的行为行为不受任何干扰地影响着过去和未来，量子过程中量子的某个测量值的概率分布不随时间改变的物理量的转移（交易）不应被视为在特定时间内的叠加态的塌陷，而是许多潜在的结果表现，量子在时间上向后发射超前波，该波与量子在时间上与向前发射的波结合，形成驻波。放到薛定谔的猫中，盒子里的猫不是生死叠加态的猫，猫在任何时候都是一个确定的状态（非生即死），人打开盒子看到的猫是一个特定时间的猫，这个特定时间的猫态（猫的状态）是过去与未来多个时间影响后的结果。
齐诺效应是指，重复快速的观测或者连续观测系统的状态会阻止系统随时间的演化。放到薛定谔的猫中，打开盒子之前，猫的状态是随时间不断变化的，频繁打开箱子观测，会阻碍猫的生死状态随着时间的演化，使得猫的状态不再变化，而是确定到生或死其中之一。
客观塌缩理论认为，量子叠加态在达到某些客观的物理阈值，比如时间、温度等时，会自发地塌缩破坏。放到薛定谔的猫中，在盒子打开之前，整个实验装置（量子的物理量）决定（物理量达到物理阈值）了猫的状态，猫已经处于某一个确定的状态中（塌缩），处于何种状态（非生即死）是概率的，猫的状态不随观测行为而改变。
微观粒子具有波粒二象性，其状态可以用一个波函数来描述，微观领域的基本方程是关于波函数的微分方程——薛定谔方程。一维薛定谔方程（假设一个动量为的自由粒子沿某方向运动，不考虑相对论效应）为：
式中，、为数学算符，为波函数，为自由粒子运动方向，为粒子质量。
薛定谔的猫这个思想实验中，猫处于一种生死叠加态，拓展到量子领域中，量子的叠加态又被称为为“薛定谔猫”态。
2005年12月，美国国家标准和技术研究所的莱布弗里德（Leibfried）等人曾在《自然》杂志发表一篇论文，他们将铍[pí]离子每隔若干微米“固定”在电磁场阱中，然后用激光使铍离子冷却到接近绝对零度，分三步操纵这些离子的运动，最终使6个铍离子在50微秒内同时顺时针自旋和逆时针自旋，实现了两种相反量子态的叠加。同期，奥地利奥地利因斯布鲁克大学（Innsbruck）大学的研究人员在8个离子的系统中稍短地实现了“薛定谔猫”态。2023年4月，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员在《科学》杂志发表一篇论文，他们通过叠加微小晶体的两种振荡状态实现了16微克粒子的“薛定谔猫”态。
在量子计算机中，信息的基本单位叫做量子比特或昆比特，一个昆比特不仅可以以对应于经典比特的“0”或“1”逻辑状态的状态存在，而且还能够以对应于传统比特位的混合或重叠状态即"0” "1”同时出现，制备稳定的“薛定谔猫”态或者多个“薛定谔猫”态的量子纠缠态，可使量子计算机实现并行计算，能高速度、高性能地完成信息处理任务。
在单个量子比特的系统中，一个量子比特有一个二维的状态空间。和是状态空间这个一组标准正交基矢，状态空间中的任意状态向量可表示为:
psi
a和b为复数，是基矢的叠加系数，a和b的模方表示在测量中得到相应态的概率（如态的概率为），状态向量的归一化要求,在叠加态下不能确定是状态是还是，如基态的叠加态sqrt，状态与状态的幅度为，状态是状态与状态的混合叠加。
态也即是”薛定谔猫”态，在多量子比特的系统中，由多个薛定谔猫态制备的纠缠态为，即00...到11...1的等概率叠加态。
“薛定谔猫”态具有理论研究意义和实际应用的潜力。比如，多粒子的“薛定谔猫”态系统可以作为未来高容错量子计算机的核心部件，也可以用来制造极其灵敏的传感器以及原子钟、干涉仪等精密测量装备。
薛定谔的猫这个实验为学者提供了从量子力学过渡到经典力学的范例，使得人们对于倒退相干过程的基本物理含义的理解更加具体，驱动了量子力学底层理论的发展，使得量子力学适用的领域，从微观逐渐开始延伸到宏观，促进了有进一步应用可能的、新的、更宜于实际实现的量子信息载体的研究和发现。
“维格纳的朋友”是维格纳在1961年设计的一个思想实验，实验的设想中，维格纳很忙，所以要求一位朋友去核实实验（这个实验是某个波函数坍缩的实验）的结果，这个朋友总是能及时将结果报告给维格纳。这个思想实验的核心在于，波函数的坍缩是在朋友核实这个结果的时刻还是在朋友向维格纳报告实验结果的时刻。在维格纳的朋友角度，波函数坍缩应发生在她见到记录的时刻。在维格纳的角度，维格纳的波函数完成坍缩在朋友告知的时刻。
Schrödinger's Cat Behaviour Has Been Filmed in Atoms For The First Time.sciencealert.2023-08-01