薛定諤的貓

在走出量子理論中那些令人絕望的哲學(xué)泥潭之前，我們應(yīng)該去瞄一眼現(xiàn)如今已經(jīng)如雷貫耳的“薛定諤的貓”悖論。這個(gè)悖論將由統(tǒng)計(jì)概率主宰的撲朔迷離的量子微觀世界與由確定的物理狀態(tài)組成的牛頓的宏觀世界聯(lián)系到了一起。就像愛因斯坦、波多爾斯基和羅森一樣，薛定諤同樣反對那樣一個(gè)物理世界——一個(gè)在觀測之前沒有客觀實(shí)在的世界，一個(gè)在觀測之前僅僅是各種可能性混在一起的世界。薛定諤的悖論原本是要嘲諷上述那種世界觀，可如今卻被用于調(diào)侃科學(xué)家們。他通過這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，讓量子效應(yīng)在我們?nèi)粘５暮暧^世界中富有戲劇性地顯現(xiàn)出來。在設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，他同樣利用了放射現(xiàn)象，其中粒子按一定的概率衰變，盡管我們不能預(yù)言某部分粒子到底什么時(shí)候衰變。也就是說，我們可以預(yù)言比如一小時(shí)時(shí)間里有多少百分比的粒子會(huì)衰變，但無法預(yù)知具體哪一個(gè)單個(gè)的粒子會(huì)在這個(gè)小時(shí)里衰變。

薛定諤的精妙設(shè)計(jì)是這樣的：將一只貓和一瓶致命毒氣一起放進(jìn)盒子里。在蓋革計(jì)數(shù)器的管子中放上少量的衰變物質(zhì)，這種物質(zhì)的量很少，經(jīng)過一小時(shí)也才只有50%的概率探測到有一個(gè)原子發(fā)生裂變。最后我們做出了這么一個(gè)“小題大做”的裝置：原子的衰變會(huì)觸發(fā)蓋革計(jì)數(shù)器，然后會(huì)激發(fā)一個(gè)電磁繼電器，進(jìn)而觸發(fā)一個(gè)小錘子，這個(gè)小錘子會(huì)打碎裝有毒氣的瓶子，最后毒氣會(huì)殺死這只貓。（天哪，這群20世紀(jì)初的維也納知識(shí)分子真會(huì)玩……）

那么問題來了，經(jīng)過了一個(gè)小時(shí)這只貓是死了還是活著？如果我們用量子波函數(shù)來描述整個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)不知死活的貓就是一個(gè)混合態(tài)，即“既死又活”（請?jiān)徫业拇朕o）。波函數(shù)Ψ告訴我們此刻的情形應(yīng)該是一個(gè)“貓活”和“貓死”的混合態(tài)[15]，換言之，應(yīng)該用Ψ貓活＋Ψ貓死這樣的形式來描述這個(gè)混合的量子態(tài)。所以在一小時(shí)后，即便在宏觀世界中，我們也只能得到這只貓活著或死去的概率，分別為和。

那么問題又來了：是否在某人或什么其他東西觀察箱子內(nèi)情形的那一瞬間，“貓活”或“貓死”的量子態(tài)就被確定下來了呢？難道那只貓不會(huì)緊張地看著蓋革計(jì)數(shù)器，自己作為觀測者嗎？或者“誰是兇手”這個(gè)問題可以進(jìn)一步擴(kuò)展：放射性物質(zhì)的衰變可以用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，并且將貓?jiān)谌我凰查g的狀態(tài)打印到箱子內(nèi)的一頁紙上。當(dāng)?shù)谝淮斡秒娔X去探測它時(shí)，貓是否確定地活著或者死去？那么當(dāng)這個(gè)信息在紙上完全被打印出來的時(shí)候呢？或者當(dāng)我們看打印結(jié)果的時(shí)候呢？再或者在原子衰變后一束電子在蓋革傳感器的管內(nèi)讓蓋革計(jì)數(shù)器發(fā)出“嘀嗒”一聲的時(shí)候（此時(shí)，從亞原子的過程過渡為宏觀世界的現(xiàn)象）呢？薛定諤的“盒中貓”悖論，像EPR思想實(shí)驗(yàn)一樣，成為強(qiáng)有力的反面論據(jù)挑戰(zhàn)著新生的量子理論。根據(jù)直覺，我們顯然不會(huì)有一只“混合狀態(tài)”的貓，一半活，一半死……呃，這個(gè)可以有嗎？

就像我們后面會(huì)看到的，實(shí)驗(yàn)顯示薛定諤的這只宏觀世界的貓確實(shí)可以以一種混合態(tài)存在，當(dāng)然這只貓是一個(gè)較大的宏觀系統(tǒng)的例子。換句話說，量子理論允許宏觀尺度的混合態(tài)，所以量子理論這次又贏了。

量子理論的影響范圍確實(shí)可以涵蓋從原子的小尺度到宏觀系統(tǒng)的大尺度。比如在一種被稱為“超導(dǎo)”的量子現(xiàn)象中，特定的材料在極低的溫度下會(huì)變成完美的導(dǎo)體。電流可以無阻地在環(huán)路中流動(dòng)，并且磁體可以永久懸浮在通電的超導(dǎo)環(huán)上。同樣的例子還有“超流”現(xiàn)象，液氦可以沿著器皿側(cè)壁上下流動(dòng)，或者從細(xì)管中向上噴出一道噴泉然后流回器皿，這個(gè)過程可以一直連續(xù)地進(jìn)行并且不消耗任何能量（所謂噴泉效應(yīng)）。就像神秘的“希格斯機(jī)制”使得所有基本粒子獲得了質(zhì)量，量子理論也不允許有例外，也就是說我們最終都變成了同一個(gè)盒子中的貓咪了。

過了許多年時(shí)光，

忽聽得敲門聲響，

我想起門沒有鎖，

我怎能將它鎖上。

我旋即吹滅了燈，

輕輕走在地板上，

又悄悄舉起雙手，

對著門禱告思量。

敲門聲又響起來！

我看見窗戶洞開，

于是偷偷爬上去，

一閃身跳到窗外。

我轉(zhuǎn)身探進(jìn)腦袋，

喊了一聲：進(jìn)來！

管它敲門的是誰，

有什么可以奇怪。

就這樣一聲門響，

我居然跳了出來，

投身不鎖的世界，

隨歲月漂流在外。

——羅伯特·弗羅斯特《無鎖之門》[16]