薛定諤的貓和量子自殺

薛定諤的貓和量子自殺

趙夢晗

究竟是必然還是偶然決定了宇宙的命運？或者說：上帝玩色子嗎？這個是量子力學和相對論最大的爭議。量子力學主張：世界是由不確定的、隨機的事件決定，這個不確定（后者叫波動）其實就是辯證法主張的矛盾運作；而相對論則認為：世界應該是由固定的、機械的規律統治，任何看似偶然的事件背后，其實都有必然在支撐。 　　

兩大學派最激烈的爭論，可能與“薛定諤的貓”有關。這個實驗是這樣的： 　　

薛定諤在1935年發表了一篇論文，題為《量子力學的現狀》,在論文的第5節，薛定諤描述了那個常被視為惡夢的貓實驗:哥本哈根派說，沒有測量之前，一個粒子的狀態模糊不清，處于各種可能性的混合疊加.比如一個放射性原子，它何時衰變是完全概率性的。只要沒有觀察，它便處于衰變/不衰變的疊加狀態中，只有確實地測量了，它才隨機選擇一種狀態而出現。那么讓我們把這個原子放在一個不透明的箱子中讓它保持這種疊加狀態。現在薛定諤想象了一種結構巧妙的精密裝置，每當原子衰變而放出一個中子，它就激發一連串連鎖反應，最終結果是打破箱子里的一個毒氣瓶，而同時在箱子里的還有一只可憐的貓。事情很明顯：如果原子衰變了，那么毒氣瓶就被打破，貓就被毒死。要是原子沒有衰變，那么貓就好好地活著。 　　

原子核的衰變是隨機事件，物理學家所能精確知道的只是半衰期——衰變一半所需要的時間。如果一種放射性元素的半衰期是一天，則過一天，該元素就少了一半，再過一天，就少了剩下的一半。但是，物理學家卻無法知道，它在什么時候衰變，上午，還是下午。當然，物理學家知道它在上午或下午衰變的幾率——也就是雌貓在上午或者下午死亡的幾率。 　　

    如果我們不揭開密室的蓋子，根據我們在日常生活中的經驗，可以認定，雌貓或者死，或者活。這是她的兩種本征態。但是，如果我們用薛定諤方程來描述薛定諤貓，則只能說，她處于一種活與不活的疊加態。我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道雌貓是死是活。此時，貓的波函數由疊加態立即收縮到某一個本征態。 　　

    量子理論認為：如果沒有揭開蓋子，進行觀察，我們永遠也不知道雌貓是死是活，她將永遠到處于半死不活的疊加態。這與我們的日常經驗嚴重相違，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活？ 　　

    薛定諤挖苦說：按照量子力學的解釋，箱中之貓處于“死－活疊加態”——既死了又活著！要等到打開箱子看貓一眼才決定其生死。（請注意！不是發現而是決定，僅僅看一眼就足以致命！）正像哈姆雷特王子所說：“是死，還是活，這可真是一個問題。”只有當你打開盒子的時候，迭加態突然結束（在數學術語就是“坍縮（collapse）”），哈姆雷特王子的猶豫才終于結束，我們知道了貓的確定態：死，或者活。哥本哈根的幾率詮釋的優點是：只出現一個結果，這與我們觀測到的結果相符合。 　　

    但是有一個大的問題：它要求波函數突然坍縮。但物理學中沒有一個公式能夠描述這種坍縮。盡管如此，長期以來物理學家們出于實用主義的考慮，還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價是：違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿于懷了。   　　

問題出來了：為什么“打開箱子”會使得波函數發生坍縮？難道是“打開箱子”這個動作引起的波函數變化影響到了原來的二重疊加？還是我們壓根就不可能觀測到疊加現象？ 　　

如果是后者，那么有一個現象是我們必須了解的：我們所看到的一切景象，其實都是波函數的疊加狀態。好比一個和量子力學不沾邊，但是有很貼切的例子：我們的眼睛，看到的都是立體的景象，其實就是兩眼看到的平面在腦海中疊加的產物。如果你把食指放在鼻梁上，然后緩慢的向前移動，你會看到：明明是一根食指，卻變成了兩根。隨著食指離鼻梁越來越遠，“兩個食指”逐漸歸于一根。這個現象就是疊加，你完全能夠觀測到。 　　

那看來原因好像就是前者。實際上，科學家也確實成功的觀測到了薛定諤貓態： 　　

美國科學家宣布，他們成功讓６個鈹離子系統實現了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態，也就是量子力學理論中的“薛定諤貓”態。 　　

　　根據量子力學理論，物質在微觀尺度上存在兩種完全相反狀態并存的奇特狀況，這被稱為有效的相干疊加態。由大量微觀粒子組成的宏觀世界是否也遵循量子疊加原理？奧地利物理學家薛定諤為此在１９３５年提出著名的“薛定諤貓”佯謬。 　　

　　“薛定諤貓”佯謬假設了這樣一種情況：將一只貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發生衰變，會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發生衰變，貓就存活。根據量子力學理論，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加，貓就理應處于死貓和活貓的疊加狀態。這只既死又活的貓就是所謂的“薛定諤貓”。 　　

　　顯然，既死又活的貓是荒謬的。薛定諤想要借此闡述的物理問題是：宏觀世界是否也遵從適用于微觀尺度的量子疊加原理。“薛定諤貓”佯謬巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯系起來，旨在否定宏觀世界存在量子疊加態。然而隨著量子力學的發展，科學家已先后通過各種方案獲得了宏觀量子疊加態。此前，科學家最多使４個離子或５個光子達到“薛定諤貓”態。但如何使更多粒子構成的系統達到這種狀態并保存更長時間，已成為實驗物理學的一大挑戰。 　　

　　美國國家標準和技術研究所的萊布弗里特等人在最新一期《自然》雜志上稱，他們已實現擁有粒子較多而且持續時間最長的“薛定諤貓”態。實驗中，研究人員將鈹離子每隔若干微米“固定”在電磁場阱中，然后用激光使鈹離子冷卻到接近絕對零度，并分三步操縱這些離子的運動。為了讓盡可能多的粒子在盡可能長的時間里實現“薛定諤貓”態，研究人員一方面提高激光的冷卻效率，另一方面使電磁場阱盡可能多地吸收離子振動發出的熱量。最終，他們使６個鈹離子在５０微秒內同時順時針自旋和逆時針自旋，實現了兩種相反量子態的等量疊加糾纏，也就是“薛定諤貓”態。 　　

　　奧地利因斯布魯克大學的研究人員也在同期《自然》雜志上報告說，他們在８個離子的系統中實現了“薛定諤貓”態，但維持時間稍短。 　　

　　科學家稱，“薛定諤貓”態不僅具有理論研究意義，也有實際應用的潛力。比如，多粒子的“薛定諤貓”態系統可以作為未來高容錯量子計算機的核心部件，也可以用來制造極其靈敏的傳感器以及原子鐘、干涉儀等精密測量裝備。 　　

關于薛定諤的貓，包括愛因斯坦在內的許多非主流科學家是持懷疑態度的，他們認為：這個原因是由“平行宇宙”（MWI）造成的，即： 當我們向盒子里看時，整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其余的各個方面都是全同的。唯一的區別在于其中一個版本中，原子衰變了，貓死了；而在另一個版本中，原子沒有衰變，貓還活著。在量子的多世界中，我們通過參與而選擇出自己的道路。在我們生活的這個世界上，沒有隱變量，上帝不會擲骰子，一切都是真實的。 　　

這個觀點還有更駭人聽聞的假設：量子自殺。 　　

在 量子力學 里, 量子自殺是想法實驗，這令人毛骨悚然和啼笑皆非的實驗在80年代末由Hans Moravec，Bruno Marchal等人提出，而又在1998年為宇宙學家Max Tegmark針對 哥本哈根 “波函數坍縮”中的“意識怪獸”，在那篇廣為人知的宣傳 MWI 的論文中所發展和重提。Max Tegmark認為宇宙有多個， 量子 的不確定性被分配到各個 宇宙 去，只要從主觀視角來看，不但一個人永遠無法完成 自殺 ，事實上他一旦開始存在，就永遠不會消失！總存在著一些量子效應，使得一個人不會衰老，而按照MWI，這些非常低的概率總是對應于某個實際的世界！ 　　

量子自殺實驗 　　

   在一套設備里，利用原子衰變來控制扣動一把槍的扳機，我們就可以觀測當一個人被打死了（如果衰變-->開槍）或者沒有(沒有衰變)。他遲早被打死，因為隨著原子衰變概率的增加，槍的扳機遲早會扣動。但對當事人本身的角度來說完全不是這樣。因為對他唯一有意義的就是“那些他活著的世界”。永遠都會有一個他活在某個世界！如果平行宇宙理論是正確的，那么對于某人來說，他無論如何試圖去自殺都不會死！要是他拿刀抹脖子，那么因為組成刀的是一群符合 波動方程 的 粒子 ，所以總有一個非常非常小的可能性，以某種方式絲毫無損地穿透了該人的脖子，從而保持該人不死！當然這個概率極小極小，但按照MWI，一切可能發生的都實際發生了，所以這個現象總會發生在某個宇宙！其實不管換什么方式自殺都一樣，跳樓也好，臥軌也好，上吊也好，總存在那么一些宇宙，讓他還活著。從該人自身的視角來看，他怎么死都死不掉！當然在其他無窮個宇宙里，他的親朋好友卻要為他哀悼了。這實際上也是薛定諤貓的一個真人版。大家知道在貓實驗里，如果原子衰變，貓就被毒死，反之則存活。對此，哥本哈根派的解釋是：在我們沒有觀測它之前，貓是“又死又活”的，而觀測后貓的波函數發生坍縮，貓要么死要么活。MWI則聲稱：每次實驗必定同時產生一只活貓和一只死貓，只不過它們存在于兩個平行的世界中。 　　

這樣一來，薛定諤的貓也不必再為死活問題困擾。只不過是宇宙分裂成了兩個，一個有活貓，一個有死貓罷了。對于那個活貓的宇宙，貓是一直活著的，不存在死活疊加的問題。對于死貓的宇宙，貓在分裂的那一刻就實實在在地死了，不要等人們打開箱子才“坍縮”，從而蓋棺定論。  　　

從宇宙誕生以來，已經進行過無數次這樣的分裂，它的數量以幾何級數增長，很快趨于無窮。我們現在處于的這個宇宙只不過是其中的一個，在它之外，還有非常多的其他的宇宙。有些和我們很接近，那是在家譜樹上最近剛剛分離出來的，而那些從遙遠的古代就同我們分道揚鑣的宇宙則可能非常不同。也許在某個宇宙中，小行星并未撞擊地球，恐龍仍是世界主宰。在某個宇宙中，埃及艷后克婁帕特拉的鼻子稍短了一點，沒有教愷撒和安東尼怦然心動。那些反對歷史決定論的“鼻子派歷史學家”一定會對后來的發展大感興趣，看看是不是真的存在歷史蝴蝶效應。在某個宇宙中，格魯希沒有在滑鐵盧遲到，而希特勒沒有在敦刻爾克前下達停止進攻的命令。而在更多的宇宙里，因為物理常數的不適合，根本就沒有生命和行星的存在。 　　

似乎這個結論是可以將整個量子力學和相對論聯系起來，或者說，是用相對論取代了量子力學。但是，請注意：平行宇宙的保留了矛盾的對立性（同一個宇宙的貓不會有生死疊加）卻肢解了矛盾的統一性（使得矛盾雙方位于兩個不同的宇宙），辯證法的根本規律似乎要被否定了？ 　　

且慢！仔細考慮一下：每一個電子的跳躍，每一個光子的衍射，我在鍵盤上敲打的每一個字符，都可以創造一個宇宙？那么，自大爆炸以來，究竟有多少個宇宙被創造出來了？宇宙的數量每秒鐘都在以駭人聽聞的速度增長？這個理論似乎是要為了解釋一個小小的電子的衍射而興師動眾的創造一個龐大的宇宙呀！也沒有任何證據能夠證明這個理論，我們從來沒有發現我們擁有能夠創造宇宙的能力。 　　

其實，我在前文早就說了，薛定諤的貓狀態已經被實驗證實了，是能夠觀測到的。薛定諤當年犯了一個錯誤：純觀測對于實驗的結果其實應該是沒有影響的。如果我們不打開這個箱子，而是用紅外攝像機記錄箱子里面的情況，我們在電視屏幕上看到的小貓可能真的就想我們用食指做的實驗那樣，存在一個令人做惡夢的“疊加狀態”！這也解釋了為什么科學家能夠實現自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態。 　　

看來，唯物辯證法被推翻的的憂慮暫時是可以放下了，也許在不久的將來，隨著以量子力學為基礎的大一統理論確立（最可能的是弦論），辯證法也會被提高到一個史無前例的高峰。而建立在辯證法之上的理論，也就有了穩固的根基，而這正是我們研究哲學和物理的根本目的。