苗千| 薛定諤的貓與新量子力學

量子力學算得上是人類歷史上最值得信賴的理論之一。從1900年普朗克提出量子化假說開始，如愛因斯坦、維爾納·海森堡、歐文·薛定諤、尼爾斯·玻爾……數不清的大科學家的名字與這個理論聯結在一起。量子理論不僅精確描述了在微觀領域中粒子的行為，也為人們展示了一個與宏觀世界截然不同的光怪陸離的世界。可是在量子力學的發展歷史中，最鮮明的也最為大眾所熟知的形象卻不是哪一個科學家，而是一隻假想出來的貓。這隻惱人的貓一直在量子物理學家們的眼前晃來晃去，使科學家們不得不對自己的理論反覆思索，這就是人們常常提到的「薛定諤的貓」（Schr?dinger"s Cat）。

歐文·薛定諤

100多年來量子力學的發展不停改變著人們的舊有觀念，揭示了許多令前人吃驚的現象：德國物理學家馬克斯·普朗克首先提出假說，原子只能在固有的頻率上振動，否則物體將可以輻射出無窮的能量（即所謂的「紫外災難」）。通過愛因斯坦和路易·德布羅意的工作，人們認識到在微觀狀態下，粒子呈現出波粒二象性（Wave-particle Duality），而當人們去觀測時，粒子呈現出波或是粒子的性質，取決於人們用什麼手段去觀測粒子。更奇特的是「不確定性原理」（Uncertainty Principle），就像羅大佑唱的：「丟一個銅板輕輕地蓋著猜猜她愛我不愛，那是我所不能了解的事……」海森堡的「不確定性原理」告訴人們，我們無法通過測量而精確得到一個微觀粒子的位置和動量，不確定性原理並不是給出人們測量粒子位置精度的極限，而是重新定義了「位置」這個概念在物理學中的意義（超出測量最大精度的「位置」是沒有意義的）。

如果說上面這幾個概念人們還可以勉強接受的話，「薛定諤的貓」則至今仍然讓科學家們感到不解。1935年，在愛因斯坦的啟發下，著名的奧地利物理學家歐文·薛定諤提出了一個假想實驗。他設想出一種荒謬的情形，一隻貓被放進一個密封的盒子里，盒子里同時還有其他一些東西（必須保證這隻貓碰不到這些東西）：一個裝有毒藥的探測器和一丁點放射性物質，放射性物質因為量很少，每小時有50%的概率會有一個原子發生衰變，還有50%的概率沒有原子發生衰變。如果有原子發生衰變，將會被探測器探測到，探測器就會放出毒藥毒死薛定諤的貓；如果沒有原子發生衰變，薛定諤的貓就會幸運地活下來。但是問題在於，在一個小時的時間內，人們並不知道密封的盒子里是否有原子發生了衰變，只有在一小時之後打開盒子進行觀察測量才能知道。根據量子力學的正統學說，哥本哈根學派的解釋，只有通過測量才能得到微觀世界的狀態，而追問在測量之前的系統是否處於這個狀態，正如想知道一個粒子的「精確位置」一樣，是「沒有意義」的。在人們打開這個密封的盒子對盒子內部進行測量前，放射性物質處於衰變與沒有衰變的「疊加態」（Superposition），這也是量子世界的特徵之一。於是，這隻薛定諤的貓也因此處於又死又活的「疊加態」，微觀領域和宏觀領域的狀態就這樣被聯繫在了一起。

一個微觀粒子在未被測量的時候也處於疊加態，它可以同時處在多個位置，這種狀態是由粒子的波函數（Wave Function）來描述的。當人們去測量這個粒子時，粒子的波函數發生塌縮（Collapse），這樣粒子對於測量者呈現出來的是只處於其中的一個位置（同樣，在量子力學的解釋中，追問這個粒子在測量之前處於什麼位置是沒有意義的）。薛定諤通過一個假想實驗巧妙地揭示了量子力學的解釋中某些令人感到牽強的地方：如果說在微觀世界，上帝完全是在擲骰子，一切都只能用波函數描述的概率來解釋的話，那麼與此直接相連的宏觀物體又該呈現出什麼樣的狀態呢？這隻在理論上同時又死又活的薛定諤的貓在科學家們的眼前晃來晃去，讓科學家們感到又尷尬又惱火。

被稱為量子力學「教父」的丹麥物理學家尼爾斯·玻爾

一方面量子力學在經歷了100多年的發展之後，我們仍然無法完全理解它，另一方面，它又顯示出強大的力量。在微觀世界中量子力學無往不勝，人們用它預測粒子間的相互作用，分析材料的性能，甚至用它來計算分子的形狀，至今尚沒有任何一個實驗結果與它的描述相悖。它的數學形式也是如此優美，讓科學家看不到有任何修改它的必要。但是從沒有任何人，包括被稱為量子力學「教父」的丹麥物理學家尼爾斯·玻爾，告訴過人們，如何去理解量子力學——你只需要去接受它。量子力學具有簡單優美的數學形式，但是這並不足以打消人們的疑問，因為在公式中並沒有告訴人們，對於微觀系統進行測量時，波函數是如何發生的塌縮？微觀物體是在什麼時候呈現出我們可以理解的經典形式？一個粒子是怎麼樣「知道」自己什麼時候被測量？為什麼一個測量會改變粒子的行為？為什麼我們從來都看不到一個粒子同時處在兩個地方？量子力學就是這樣令人信賴卻又充滿悖論。大多數科學家都採取了實用主義者的態度，就像是康奈爾大學的物理學家大衛·默明（David Mermin）說的，「閉上嘴去做計算」。

多數科學家認為除了量子力學的描述之外並沒有更深層次的真實，在微觀領域沒有比概率更加基礎和確定的事情。儘管有些激進的物理學家認為同時處於又死又活的狀態也沒什麼大不了的，但薛定諤的貓仍然讓大多數的物理學家感到心煩意亂。一隻又死又活的貓到底是什麼樣？在宏觀領域到底可不可能出現疊加態？為什麼在微觀領域和宏觀領域看上去我們有兩套物理法則？量子力學描述我們只有通過測量才可以使概率變為確定，那麼這種由概率到確定的轉變到底是如何發生的？波函數的塌縮這種描述對於科學家們來講更像是一種比喻而非實質，而實質又究竟是什麼呢？苦思冥想之際，科學家們彷彿真的可以看到一隻貓搖著尾巴在他們面前走來走去，不時沖著焦頭爛額的科學家們嘲笑幾聲。難怪史蒂芬·霍金教授說：「我一聽到薛定諤的貓，我就去拿我的槍。」

波函數的塌縮正是我們的宏觀世界看上去表現得與微觀世界不一樣的主要原因，科學家們認為量子物體與周圍環境發生相互作用就是一次「測量」，這種測量使得量子疊加態變成了確定的狀態，發生了「退相干」（Decoherence），因此宏觀物體沒有表現出明顯的量子效應是因為宏觀物體包含太多的粒子，這些粒子無時無刻不在與外界環境發生作用（因此一隻貓才不能又死又活）。牛津大學的物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）相信波函數的塌縮是一種真實的物理現象，他認為，人們現在之所以對於粒子的波函數塌縮理解得不夠全面，是因為引力還沒有被引入到量子力學，通過進一步地理解引力就可以理解波函數塌縮的細節。1979年諾貝爾物理獎得主史蒂芬·溫伯格（Steven Weinberg）卻認為，至今我們也沒有一個令人滿意的量子力學，他說：「像其他很多物理學家一樣，在工作中我只是使用量子力學，卻一直忽略量子力學的意義以及其中更深層次的疑問，但是我仍然認為我應該試圖去理解。」多年來他一直在修正量子力學理論，在他的新量子力學中使粒子的波函數發生塌縮並不需要一個額外的觀察者，而是成為一種自發現象，只不過是在被測量的時候，粒子與測量儀器的粒子發生量子糾纏而更容易引起塌縮。他的理論因為同時也融合了相對論，也就更令人感到期待。

量子世界的疊加態究竟能在多大程度上對宏觀世界產生影響？這個問題的答案很大程度上可能仍然藏在薛定諤的貓身上。當薛定諤的貓被關在密閉的盒子里，我們是否可以在不破壞盒子的情況下探聽到裡面的情況，並且不破壞裡面極為脆弱的疊加態？科學家們一直在做這樣的嘗試。2010年，幾個科學家讓一個40微米長的壓電材料同時處於收縮和伸展的兩種疊加態中，可是當他們試圖去觀察這兩種狀態時卻破壞了這種疊加態而遭到失敗。馬薩諸塞大學的物理學家庫爾特·雅各布斯（Kurt Jacobs）提出了一種新的方法來窺探「盒子里的貓」：首先使一個幾十微米的細絲同時處於向兩個相反方向震動的疊加態，之後在這根細絲上注入一點電荷，電荷隨著震動將會形成一個變化的電磁場，而這個電磁場將會被盒子外面的感測器接收到。通過這種方法，理論上可以在不破壞密閉盒子內部相干性（Coherence）的基礎上探測到裡面宏觀物體的一些狀態。雅各布斯在一篇論文中描述了這個實驗的構想，但他需要更多的時間去實現。

這隻被困在盒子裡面的薛定諤的貓，幾十年來也把量子物理學家們困在了思維的盒子裡面，無數科學家總是耐不住好奇心，不甘於閉上嘴巴埋頭計算，想要看一看薛定諤的貓在盒子裡面究竟是什麼樣子，也許這裡面就藏著量子力學最深刻的秘密。在微觀領域裡上帝是不是在擲骰子，物質的真實究竟是什麼，也許有一天這隻薛定諤的貓可以給我們答案。

【本文參考了Philip Ball的文章《對薛定諤的貓的新探索》（New Persuit of Schr?dinger"s Cat）】

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