薛定諤的貓是由奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤於1935年提出的一個著名的思想實驗，描述了亞原子粒子的神秘行為。現在，通過一種新方法，我們或許可以在不殺死這只（假想中的）貓的情況下，對它進行觀察。在這個思想實驗中，盒子裡的貓同時處於生存與死亡的狀態，或者說處於“生”與“死”的疊加態，就像亞原子粒子同時以多種狀態疊加存在一樣。但是，當我們打開盒子觀察其內部時，就會改變貓的狀態，觀察到一隻活貓或一隻死貓。

薛定諤的貓是一個量子系統，代表了量子物理學中最大的謎題之一：如何測量一個量子系統而不改變它？（圖自：維基百科 / Dhatfield）

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然而，在10月1日發表於《新物理學期刊》（New Journal of Physics）上的一項研究中，研究人員描述了一種既能觀察到貓，又不會迫使其它活著或死亡的可能方法。通過這種方法，科學家或許能加深對物理學中一個最基本悖論的理解。

在我們這個常規的大尺度世界中，觀察一個物體似乎並不會導致其改變。但如果尺度足夠小，情況就不是這樣了。該研究的第一作者、日本廣島大學物理學助理教授霍爾格·霍夫曼（Holger F。 Hofmann）說：“我們通常認為，為了觀察所付出的代價是微不足道的。這是不准確的。為了觀察，你必須用到光，而光會改變物體。”因為即使是單個光子，也會將能量從你所看到的物體中轉移出去，或者轉移到物體上。

霍夫曼和當時在廣島大學做訪問本科生、現在在印度理工學院孟買分校工作的卡爾蒂克·派特卡爾（Kartik Patekar）想知道，有沒有一種方法可以讓人們在不“付出代價”的情況下進行觀察。他們得出了一個數學框架，將最初的互動（觀察貓）和結果讀取（知道貓是死是活）分隔開來。

“我們的主要動機是非常仔細地觀察量子測量發生的方式，”霍夫曼說，“關鍵在於，我們把測量分為兩個步驟。”通過這麼做，霍夫曼和派特卡爾得以假設所有參與初始相互作用（觀察貓）的光子都能被捕獲，而不會丟失關於貓的狀態的任何信息。所以在讀取結果之前，所有關於貓的狀態（以及觀察是如何改變其狀態）的信息都是可獲得的。只有當我們讀取信息時，才會失去了一部分信息。

霍夫曼說：“有趣的是，讀取過程會選擇這兩種信息中的一種，然後完全抹去另一種。”以下就是他們如何用“薛定諤的貓”來描述他們的工作。假設貓還在盒子裡，我們不是通過觀察內部來確定貓是死是活，而是在盒子外面設置一個相機，通過某種方式拍攝一張盒子內部的照片（這只是一個思想實驗，請忽略這個相機在物理學上行不通的事實）。一旦拍攝了這樣一張照片，相機就具有兩個信息：貓的狀態如何因為拍攝照片而改變（研究人員稱之為量子標記），以及貓在拍攝之後是死是活。此時這些信息都還沒有丟失，你可以獲得其中一個信息或另一個信息，這取決於你選擇如何“沖洗”這張照片。

霍夫曼在接受采訪時表示，這個過程就像拋硬幣一樣。你可以選擇知道一枚硬幣是否翻轉，也可以選擇知道硬幣現在是正面還是反面，但你不可能兩者都知道。更重要的是，如果你知道一個量子系統是如何變化的，而且假設這個變化是可逆的，那麼就有可能恢復它的初始狀態（就像你可以把硬幣翻轉回去）。

“你總是會先乾擾系統，但有時，你可以撤銷這種干擾，”霍夫曼說道。就薛定諤的貓而言，這意味著先拍攝一張照片，但我們不是把照片沖洗出來看清楚貓的狀態，而是通過某種“沖洗”方式，使貓恢復到生與死的疊加態。換句話說，現在照片與貓的命運糾纏在一起，我們選擇不同的方式處理照片，就會決定貓身上發生什麼。

重要的是，讀取結果的選擇需要在測量的分辨率和乾擾之間進行權衡，二者是完全等價的。分辨率是指從量子系統中提取了多少信息，而乾擾是指系統發生了多少不可逆的變化。換句話說，你越了解貓的當前狀態，你對它的改變就越無法挽回。

“我發現最令人驚訝的是，消除乾擾的能力與你觀察到多少信息（或測量到的物理量）直接相關，” 霍夫曼說，“這裡的數學是相當精確的。”

澳大利亞國立大學的理論物理學家邁克爾·霍爾（Michael Hall）沒有參與這項研究，他表示，儘管之前的研究指出了在量子測量中分辨率和乾擾之間的權衡，但這篇論文是第一次對確切的關係進行了量化。“據我所知，以往的研究結果中，沒有涉及到分辨率和乾擾的確切等式，”霍爾說，“這一結果使得論文中的方法非常簡潔。”