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第八章 论战五
castor_v_pollux
上帝掷骰子吗量子物理史话 即使摆脱了爱因斯坦，量子论也没有多少轻松。关于测量的难题总是困扰着多数物理 学家，只不过他们通常乐得不去想它。不管它有多奇怪，太阳还是每天升起，不是吗？周 末仍然有联赛，那个足球还是硬梆梆的。你的工资不会因为不确定性而有奇妙的增长。考 试交白卷而依然拿到学分的机会仍旧是没有的。你化成一团概率波直接穿过墙壁而走到房 子外
面，怎么说呢，不是完全不可能的，但机会是如此之低，以致你数尽了恒河沙，轮回了亿 万世，宇宙入灭而又涅槃了无数回，还是难得见到这种景象。 确实是这样，电子是个幽灵就让它去好了。只要我们日常所见的那个世界实实在在， 这也就不会增添乐观的世人太多的烦恼。可是薛定谔不这么想，如果世界是建立在幽灵的 基础上，谁说世界本身不就是个幽灵呢？量子论玩的这种瞒天过海的把戏，是别想逃过他 的眼睛的。 EPR出台的时候，薛定谔大为高兴，称赞爱因斯坦“抓住了量子论的小辫子。”受此 启发，他在1935年也发表了一篇论文，题为《量子力学的现状》（Die gegenwartige Situation in der Quantenmechanik），文中的口气非常讽刺。总而言之，是和哥本哈根 派誓不两立的了。 在论文的第5节，薛定谔描述了那个常被视为恶梦的猫实验。好，哥本哈根派说，没 有测量之前，一个粒子的状态模糊不清，处于各种可能性的混合叠加，是吧？比如一个放 射性原子，它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察，它便处于衰变/不衰变的叠加状 态中，只有确实地测量了，它才随机选择一种状态而出现。 好得很，那么让我们把这个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态。现 在薛定谔想象了一种结构巧妙的精密装置，每当原子衰变而放出一个中子，它就激发一连 串连锁反应，最终结果是打破箱子里的一个毒气瓶，而同时在箱子里的还有一只可怜的猫 。事情很明显：如果原子衰变了，那么毒气瓶就被打破，猫就被毒死。要是原子没有衰变 ，那么猫就好好地活着。 自然的推论：当它们都被锁在箱子里时，因为我们没有观察，所以那个原子处在衰变 /不衰变的叠加状态。因为原子的状态不确定，所以猫的状态也不确定，只有当我们打开 箱子察看，事情才最终定论：要么猫四脚朝天躺在箱子里死掉了，要么它活蹦乱跳地“喵 呜”直叫。问题是，当我们没有打开箱子之前，这只猫处在什么状态？似乎唯一的可能就 是，它和我们的原子一样处在叠加态，这只猫当时陷于一种死/活的混合。 现在就不光光是原子是否幽灵的问题了，现在猫也变成了幽灵。一只猫同时又是死的 又是活的？它处在不死不活的叠加态？这未免和常识太过冲突，同时在生物学角度来讲也 是奇谈怪论。如果打开箱子出来一只活猫，那么要是它能说话，它会不会描述那种死/活 叠加的奇异感受？恐怕不太可能。 薛定谔的实验把量子效应放大到了我们的日常世界，现在量子的奇特性质牵涉到我们 的日常生活了，牵涉到我们心爱的宠物猫究竟是死还是活的问题。这个实验虽然简单，却 比EPR要辛辣许多，这一次扎得哥本哈根派够疼的。他们不得不退一步以咽下这杯苦酒： 是的，当我们没有观察的时候，那只猫的确是又死又活的。 不仅仅是猫，一切的一切，当我们不去观察的时候，都是处在不确定的叠加状态的， 因为世间万物也都是由服从不确定性原理的原子组成，所以一切都不能免俗。量子派后来 有一个被哄传得很广的论调说：“当我们不观察时，月亮是不存在的”。这稍稍偏离了本 意，准确来说，因为月亮也是由不确定的粒子组成的，所以如果我们转过头不去看月亮， 那一大堆粒子就开始按照波函数弥散开去。于是乎，月亮的边缘开始显得模糊而不确定， 它逐渐“融化”，变成概率波扩散到周围的空间里去。当然这么大一个月亮完全融化成空 间中的概率是需要很长很长时间的，不过问题的实质是：要是不观察月亮，它就从确定的 状态变成无数不确定的叠加。不观察它时，一个确定的，客观的月亮是不存在的。但只要 一回头，一轮明月便又高悬空中，似乎什么事也没发生过一样。 不能不承认，这听起来很有强烈的主观唯心论的味道。虽然它其实和我们通常理解的 那种哲学理论有一定区别，不过讲到这里，许多人大概都会自然而然地想起贝克莱 （George Berkeley）主教的那句名言：“存在就是被感知”（拉丁文：Esse Est Percipi） 。这句话要是稍微改一改讲成“存在就是被测量”，那就和哥本哈根派的意思差不离了。 贝克莱在哲学史上的地位无疑是重要的，但人们通常乐于批判他，我们的哥本哈根派是否 比他走得更远呢？好歹贝克莱还认为事物是连续客观地存在的，因为总有“上帝”在不停 地看着一切。而量子论？“陛下，我不需要上帝这个假设”。 与贝克莱互相辉映的东方代表大概要算王阳明。他在《传习录？下》中也说过一句有 名的话：“你未看此花时，此花与汝同归于寂；你来看此花时，则此花颜色一时明白起来 ……”如果王阳明懂量子论，他多半会说：“你未观测此花时，此花并未实在地存在，按 波函数而归于寂；你来观测此花时，则此花波函数发生坍缩，它的颜色一时变成明白的实 在……”测量即是理，测量外无理。 当然，我们无意把这篇史话变成纯粹的乏味的哲学探讨，经验往往表明，这类空洞的 议论最终会变成毫无意义，让人昏昏欲睡的鸡肋文字。我们还是回到具体的问题上来，当 我们不去观察箱子内的情况的时候，那只猫真的“又是活的又是死的”？ 这的确是一个让人尴尬和难以想象的问题。霍金曾说过：“当我听说薛定谔的猫的时 候，我就跑去拿枪。”薛定谔本人在论文里把它描述成一个“恶魔般的装置” （diabolische，英文diabolical，玩Diablo的人大概能更好地理解它的意思）。我们已经 见识到了量子论那种种令人惊异甚至瞠目结舌的古怪性质，但那只是在我们根本不熟悉也 没有太大兴趣了解的微观世界而已，可现在它突然要开始影响我们周围的一切了？一个人 或许能接受电子处在叠加状态的事实，但一旦谈论起宏观的事物比如我们的猫也处在某种 “叠加”状态，任谁都要感到一点畏首畏尾。不过，对于这个问题，我们现在已经知道许 多，特别是近十年来有着许多杰出的实验来证实它的一些奇特的性质。但我们还是按着我 们史话的步伐，一步步地来探究这个饶有趣味的话题，还是从哥本哈根解释说起吧。 猫处于死/活的叠加态？人们无法接受这一点，最关键的地方就在于：经验告诉我们 这种奇异的二重状态似乎是不太可能被一个宏观的生物，比如猫或者我们自己，所感受到 的。还是那句话：如果猫能说话，它会描述这种二象性的感觉吗？如果它侥幸幸存，它会 不会说：“是的，我当时变成了一缕概率波，我感到自己弥漫在空间里，一半已经死去了 ，而另一半还活着。这真是令人飘飘然的感觉，你也来试试看？”这恐怕没人相信。 好，我们退一步，猫不会说话，那么我们把一个会说话的人放入箱子里面去。当然， 这听起来有点残忍，似乎是纳粹的毒气集中营，不过我们只是在想象中进行而已。这个人 如果能生还，他会那样说吗？显然不会，他肯定无比坚定地宣称，自己从头到尾都活得好 好的，根本没有什么半生半死的状态出现。可是，这次不同了，因为他自己已经是一个观 察者了啊！他在箱子里不断观察自己的状态，从而不停地触动自己的波函数坍缩，我们把 一个观测者放进了箱子里！ 可是，奇怪，为什么我们对猫就不能这样说呢？猫也在不停观察着自己啊。猫和人有 什么不同呢？难道区别就在于一个可以出来愤怒地反驳量子论的论调，一个只能“喵喵” 叫吗？令我们吃惊的是，这的确可能是至关重要的分别！人可以感觉到自己的存活，而猫 不能，换句话说，人有能力“测量”自己活着与否，而猫不能！人有一样猫所没有的东西 ，那就是“意识”！因此，人能够测量自己的波函数使其坍缩，而猫无能为力，只能停留 在死/活叠加任其发展的波函数中。 意识！这个字眼出现在物理学中真是难以想象。如果它还出自一位诺贝尔物理学奖得 主之口，是不是令人晕眩不已？难道，这世界真的已经改变了么？ 半死半活的“薛定谔的猫”是科学史上著名的怪异形象之一，和它同列名人堂的也许 还有芝诺的那只永远追不上的乌龟，拉普拉斯的那位无所不知从而预言一切的老智者，麦 克斯韦的那个机智地控制出入口，以致快慢分子逐渐分离，系统熵为之倒流的妖精，被相 对论搞得头昏脑涨，分不清谁是哥哥谁是弟弟的那对双生子，等等等等。薛定谔的猫在大 众中也十分受欢迎，常常出现在剧本，漫画和音乐中，虽然比不上同胞Garfield或者Tom ，也算是有点人气。有意思的是，它常常和“巴甫洛夫的狗”作为搭档一唱一和出现。它 最长脸的一次大概是被“恐惧之泪”（Tears for Fears），这个在80年代红极一时的乐队 作为一首歌的标题演唱，虽然歌词是“薛定谔的猫死在了这个世界”。 ********* 饭后闲话：海森堡和德国原子弹计划（五） 《哥本哈根》一剧于1998年5月21日于伦敦皇家