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薛定谔的什么猫?

        有那么一只猫,它属于薛定谔,属于爱因斯坦,属于物理学史,属于每一个对量子理论怀有好奇幻想的人。

它犀利敏捷,直指核心,曾经是物理学界初窥量子世界的一把钥匙;它简单易懂,也不摆架子,各行各业的人们都其乐融融地为之辨析争论,而今已是人们认识量子理论的一个坐标。

本文将从这只猫的由来出发,以这只猫带来的种种困惑收尾,与读者到量子领域一游。

薛定谔的猫,原本是薛定谔和爱因斯坦两位量子力学的先驱者,为反对(当前主流的)量子力学哥本哈根诠释而联手铸就的一把思想武器。为了介绍这把武器,要先从量子力学的建立,尤其是物质波说起。

那年,爱因斯坦和普朗克等人论证了光具有波粒二象性。德布罗意受此启发进一步提出:组成物质的基本粒子同样具有波粒二象性;换言之,可以把物质粒子看成某种波。

从这里开始,薛定谔的猫就已经在隐隐孕育了。

物质粒子怎么可能是波?这在当时看来简直玄之又玄,因而学界的反应极为冷淡。直到爱因斯坦注意到德布罗意的工作,敏锐地察觉物质波的价值,人们才开始认真面对这一概念。而薛定谔(和狄拉克分别独立地)写出与实验结果吻合的波动方程,才终于一锤定音地迫使学术界接受这个“毁三观设定”:物质粒子确实有波动性。

可以说,为发展物质波这个量子理论核心概念,爱因斯坦和薛定谔有很大的功劳。

此后问题来了,那个曾被学术界拿来诘问德布罗意的问题,现在摆在了所有人面前——物质粒子怎么可能是波,它是个什么波?不回答这个带有玄学意味的问题,量子理论无法前进。

多轮激烈的讨论后,波恩给出一个非常违反直觉常识,却最终被实验验证的答案:这是概率波,描述粒子被在某种状态下被“找到”的概率——当考察粒子的位置时,它就是粒子在某个位置被找到的概率。从这个回答出发,波恩、波尔和海森堡等人发展出了对物质波的哥本哈根诠释。

薛定谔和爱因斯坦对这个回答大为不满,因为波可以叠加(不妨类比两圈水波在空间叠加),而概率波的叠加意味着,粒子可以部分处于某种状态,部分处于另一种状态。在直觉上,两种状态总是互斥的,例如在某一时刻,粒子在这里就不会在那里,自旋向上就不会向下。但由于波的叠加,粒子可以时刻处于既此又彼的状态。

为了反对这个匪夷所思的答案,薛定谔和爱因斯坦两位大师通过多番讨论,最终由薛定谔提出了一个简单犀利的思想实验——薛定谔的猫。

实验大体是这样的:在盖好的盒子中,有放射性粒子、毒气装置和猫;一定时间后,放射性粒子概率性发生衰变,而毒气装置能探测到这次衰变并释放毒气将猫毒死;除非打开盒盖,盒子内的情形无法被外界探测。

如果哥本哈根诠释是正确的,那么在打开盒盖进行探测前,放射性粒子处于既衰变又未衰变的叠加状态。由于粒子的衰变直接导致猫的死亡,那么猫也就同时处于既死又活的状态——不荒谬吗?

这把思想武器用直指本质的方式,把量子微观变成日常直观,不仅让哥本哈根学派吃下重击,更让全世界每个人都看到,原来概率波是这样一个“怪物”。

薛定谔和爱因斯坦联手放出重击,在全世界形成讨论的余波持续至今,但胜利的却是哥本哈根诠释——实验是唯一的裁判。接受了物质波这个概念的冲击后,物理学界不得不接受一个更加深刻的观点:物质粒子有波动性,因而可以是多种状态(更严谨地说是本征态)叠加并存的。在理解了态叠加原理后,物理学终于迈向了更远的领域。

在这个过程中,薛定谔的猫从攻击哥本哈根诠释的武器,变成了物理学家和其他所有人认识量子世界的最简洁的切入点。其既死又活的状态也不再是谬论,反而体现了量子世界的本质特性。

从科普的角度说,薛定谔的猫通过展示自身的怪诞,向人们传达了这样的信息:量子概念很难与宏观直觉对应起来,如果用视觉常识来理解量子概念,可能产生诸多误解困惑。为了将这只名猫说清楚,笔者选取了与这只猫相关的五个常见争论点,(基于学术界主流认识)略加辨析。

物质波的物理图像是什么?

从直觉理解物质粒子的波,可能产生这样的误解:是不是粒子弥散开,连续分布在整个空间,其分布的形状像波浪一样,这样叫作物质波呢?其实在量子力学建立初期,人们就存在这样的讨论,但这个设想在理论上存在缺陷,也没有得到实验的证实。

当前主流观点认为,物质波刻画的永远是一个完整的粒子,具有完整粒子的质量、电荷等属性,不是弥散分布的,这是颗粒性;只不过其传播方式不能用经典轨道来描述,反而体现出波的某些特征,这是波动性。两方面合起来就是物质波的“波粒二象性”。

为什么是既死又活的猫?

很多人存在这样的困惑:打开盒子前的瞬间,放射性粒子是否衰变,换言之猫的死活其实已经有了客观结果,而打开盒子只是记录下这个结果而已,所以是否应该说猫“或死或活”更准确呢?

这个认识非常符合直观常识,但存在一个关键的问题,那就是如果放射性粒是否衰变已经形成客观结果,就不能用这个结果来刻画物质波,因为这个结果只能数值相加,不再具有波的相干叠加性。

更简单地说,上面的认识中只有“概率”,没有“波”,自然是偏颇的。只有接受了“被探测前粒子处于各种可能的叠加”这个设定,才能超越“概率”,完整地理解“概率的波”。

如果读者有兴趣阅读量子力学教材中关于波函数的论述,对这个问题会形成更清晰的认识。

量子力学唯心吗?

如果只有打开盒子才能真正确定猫的死活,那么猫的死活是人唯心决定的吗?

对量子体系的观测当然不是唯心的。最简单的例子是电子双缝干涉实验,不论人眼是否观察,接收屏上都有干涉条纹,因而量子观测并不唯心。

回到这只猫,如果用定时器将盒子自动打开,再用生命检测仪器把结果显示出来,那么不论人是否观看这个结果,猫都解除了“既死又活”的状态,坍缩到死或活的确定结局。

猫是否可以被间接探测到?

上面说到生命探测仪,那么是否可以用这类仪器观测盒子的震动、红外特性、二氧化碳排放等方式,随时监测猫的死活呢?这样一来猫的死活就是随时确定的,不再是既死又活的怪猫。

上述探测在现实技术上可行,但在这个实验中却不被允许。请注意,在这个思想实验中,“盒子”有着超然的地位。

“除非打开,否则盒子内部不可探测”这个条件,排除了上面对盒子的所有间接探测。正是这个苛刻的条件,保障其内部粒子可以被刻画为概率波,进而让猫的死与生具有叠加的特性。

该实验揭示的物理本质是什么?

通过上一个问题的答案,我们可以认识到这个思想实验的核心并不是猫,而在于盒子;猫可以替换为任何生物或者状态参数,而对盒子的规定不能更改。换言之,薛定谔猫的本体其实是盒子。

正因为间接探测盒子是完全可行的,才说明这个盒子并不属于宏观世界:人们永远造不出一个“无法”被探测内部的盒子,它只能是思想虚构的产物。其被虚构出来就带有宏观世界所不具有东西,那是量子世界的本质特性:其内部保障了概率波的叠加。

换言之,薛定谔的猫本质上是以宏观现实中并不存在的量子黑盒为媒介,将量子世界的基本状态——波的叠加——在直观上展示出来。

至此,我们追踪这只猫的足迹,一路看过量子力学史的若干节点,在世人对量子概念的几个争论点走走停停,仅浮光掠影地游览了量子世界;离去此猫,面对亲友相问,读者朋友或许只留一句:景区没啥,无非波的叠加。

但那只猫知道,量子理论的历史远远没有写到终点。当人们对量子世界的下一个认识大突破来临,这深邃黑盒中无形无状的猫,又将如何与人对视呢?

(作者系理论物理学博士,长春工程学院讲师)

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