从薛定谔的猫——量子理论基础

在介绍量子理论基础之前，先介绍一下薛定谔的猫的故事，这个故事可能大多数朋友并不陌生，下面首先回顾一下：

薛定谔的猫是一个在量子力学中用来说明量子叠加态和测量结果的思维实验。这个思维实验最早由物理学家Er win Schrödi n g e r在1935年提出。故事中，薛定谔设想了这样一个实验：

将一只猫放入一个密封的盒子中，盒子内放置了一个装有放射性物质的装置。该装置的放射性衰变会触发一个装置内的机械装置，使得装置内环境变得致命，导致猫的死亡。但是，在一定的时间间隔内，我们无法确定放射性物质是否已经衰变。根据量子力学的理论，放射性物质处于叠加态，即既衰变又不衰变的叠加状态，而猫的生死状态又与放射性物质的衰变状态相关。因此，根据量子力学的原理，猫在盒子里处于一个生与死的叠加态。只有当我们打开盒子进行观测或测量时，才会得到一个确定的结果。在观测之前，猫既不是完全活着，也不是完全死去，而是处于一个两者同时存在的量子态。只有当我们打开盒子进行观察时，才能够知道猫到底是活着的，还是死去的，也就是能够知道是否处于叠加态。

这个问题先放在这里，我们接下来首先看一下量子和量子系统的概念：

量子（Quantum）是指由量子力学所描述的微观领域中的物理现象和规律。量子力学是一种物理学理论，用于描述微观粒子的行为和相互作用，并解释了微观世界中的一些奇妙现象。

量子系统是指受量子力学规律支配的物理系统。它可以是粒子，如电子、光子、原子和分子等，也可以是宏观尺度下的物体，如超导体和量子比特等。

接下来看一下量子的几个特性：

通常，在日常生活中，一个物体如果无限分割下去，一定会遇到不可分割的最小单位，这种最小单位就称为量子，把一个物体划分成量子的现象就叫做量子化（Quant iza t ion），这是量子的第一个特性。

前文中我们提到过量子不仅可以处于0和1的状态，还可以处于0和1之间的状态，这里“0态”和“1态”就称为量子态（Quantum St a t e），而0和1之间的状态我们之前也提到过叫做叠加态，这也就是量子的第二个特性：量子叠加性（Quantum Super position）。

量子的状态也不是一直不变的，它会随着时间的变化发生变化，这叫做量子状态的演化（Evolut ion o f State）。如果量子受到外部的能量作用，可能会直接从0态到1态，这个现象就叫做量子的跃迁（transition），这就是量子的第三个特性。

对于一个叠加态而言，可以去测量它，测量的结果一定是这一组量子化之后的、确定的、分立的态中的一个，测量得到任意的态的概率是这个叠加态和测量态的内积的平方，测量之后，叠加态就会坍缩到这个确定的态之上，这就是量子的第四个特性：测量和坍缩（Me a su rem e nt And Collaps e）。

以上就是量子的四个特性：量子化、量子叠加性、跃迁、测量和坍塌。最后我们回到薛定谔的猫的故事：

故事的末尾告诉我们：猫处于生与死的叠加态。不打开盒子时，猫就处于生和死的“叠加态”，当我们打开盒子时，经过了我们的观察，猫就会坍缩到一个确定的生、死状态上。薛定谔之所以提出这个思想实验，是想让“宏观的事物：猫”和”微观的事物：放射性原子“建立“纠缠”，从而把量子力学的诡异现象从微观世界引到现实世界中来。“如果我们承认微观粒子具有这些“叠加“、”坍缩“的性质的话，那猫也具有了”——这就是薛定谔的思想。