在猫咪征服互联网很久以前，我们这个时代最伟大的两位物理学家——埃尔温·薛定谔和阿尔伯特·爱因斯坦——就设计了一个近乎邪恶的思想实验。
它大致是这样的：你有一只猫在一个完全封闭的箱子里，箱子外面无法进行任何观察。箱子里有一个装置，包括一个盖革计数器、毒药和放射性物质，其原子可能在一小时内以均等概率衰变，也可能不衰变。如果一个原子衰变了，盖革计数器就会探测到辐射并触发一个锤子，打破毒药瓶，杀死猫。如果没有原子衰变，猫就活着。
当然，这个装置只是理论上的。薛定谔在与爱因斯坦的讨论中提出了这个场景，以回应当时对量子力学的一些误解。这是描述一个看似适用于原子中微小电子的概念，如何可能适用于宏观世界中的复杂物体——在这种情况下，就是一只猫。
虽然薛定谔的猫仍然是一个臭名昭著的思想实验，但他最初推导出这个场景的方程已经成为量子力学的基础。它涉及到一种观念，即事物可以同时处于两种状态，只有当被观察、检测，甚至与其他粒子相互作用时，才会变成其中一种状态。这项基础物理理论在当今有着广泛的应用，从超级计算机到化学和超导磁体。
“薛定谔方程”就像牛顿定律的现代版本，”麻省大学阿默斯特分校的物理学助理教授陈王（Chen Wang）说道。
所讨论的理论
在20世纪20年代，薛定谔和其他物理学家面临一个经典物理学无法解释的问题。粒子越小，其位置或速度就越不确定。
“量子力学增加了粒子位置的模糊性，”王说。
电子是该理论的基础——特别是氢原子中的单个电子。尽管科学家们以前将电子描述为围绕原子核运动，但量子物理学家观察到事情并非如此简单。相反，它们似乎同时存在于多个地方。或者它们在特定区域之间来回闪烁，但中间过程不可见。事实上，唯一可以确定的是，一个电子在同一时间不在一个地方。
“原则上，你无法确切知道电子的位置，”王说。
相反，你必须将电子的位置描述为一个波函数，或者一个概率分布，它描述了电子最有可能出现的地方。量子物理学中的“叠加”一词用来描述在这种情况下，电子如何似乎同时存在于多个位置。
联系起来
如果你还没被搞糊涂，那么再加上一个电子，这个想法会变得更加离谱。例如，在氦原子中——它有两个电子——每个电子只能被描述为在特定时间可能出现在某个区域。但它们也能够相互作用并影响对方，即使它们相距遥远，这个过程被称为量子纠缠，或者爱因斯坦所说的“鬼魅般的超距作用”。
另一种思考方式是，改变一个电子的状态意味着另一个电子的状态也必须改变。
“两个电子的描述不能通过思考两个独立的形状直接产生，”马萨诸塞州威廉姆斯学院的物理学家 Frederick Strauch 说。“我们可以认为它们以某种方式在不同的形状之间跳跃。”
九条命还是两种状态？
薛定谔的生死不明的猫在箱子里的场景涉及一个思想实验，旨在描述电子的状态如何可能影响到宏观世界中的某个更大的物体。他创建这个实验是为了回应其他物理学家提出的量子力学哥本哈根诠释，以展示他们观点的潜在缺陷。
根据哥本哈根理论家们的说法，由于我们无法在实验结束时看到箱子内部，也无法向箱子内部发送任何探测器，因此放射性原子仍然处于衰变或非衰变叠加状态。猫的生死也取决于这种叠加，因为我们不知道它是死是活。在量子意义上，它的叠加同时存在于两种状态，作为一个同时是活的和死的波函数。Strauch说，纠缠由放射性原子和猫之间的联系代表。
(图片来源：Nutkins.J/Shutterstock)
Nutkins.J/Shutterstock
当我们打开箱子往里看，或者如果外部世界以某种方式与箱子内部发生相互作用，波函数就会被迫坍缩成一种状态，猫就会变成死或活。
问题是，薛定谔实际上并不想让这种情况被认真对待。观察的科学家好奇心可能会杀死猫，这个事实是为了说明早期对量子力学的解释是多么荒谬。
“他暗示，将该理论应用于宏观世界有点愚蠢，”王说。“可能有什么东西被遗漏了。”
但他的思想实验后来有了自己的生命（或死亡），许多人相信猫会同时处于死和活的状态。这种思想实验唯一的不足之处可能在于我们技术上无法进行这样的实验。
猫、现在与未来
即使薛定谔本人不相信猫的理论是可能的，现代研究人员也在努力将其中一些理论付诸实践。2016年，王和他的同事们证明了纠缠多个粒子的可能性。他们成功测量了多达80个光子（光粒子）的纠缠，这些光子被放置在通过超电流连接的特殊盒子中，这种电流在没有电压的情况下流动。简单来说，这意味着在一个盒子中施加给光子的自旋可以在另一个盒子里被观察到，即使后者还没有被自旋。没有自旋的光子也存在于两个盒子里。比喻地说，这就像在两个相互关联的盒子里发现了一只活猫和一只死猫。
量子力学已经带来了实际应用。量子计算就是其中一种方法，它利用叠加和纠缠可以比经典计算机进行更快的计算。Strauch表示，这有很多潜在的应用，但研究人员已经接近于利用它们在虚拟空间中计算化学公式来设计药物。
但研究人员可能还需要很长时间才能找到运行薛定谔实验的方法。如果他们真的做到了，即使薛定谔本人也认为这不太可能，那么它可能会揭示微观量子世界如何影响宏观世界。
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