第一百五十五章 入潭

尽管量子论的诞生已经过了一个世纪，其辉煌鼎盛与繁荣也过了半个世纪。量子理论曾经引起的困惑直到21世纪仍困惑着人们。正如玻尔的名言：“谁要是第一次听到量子理论时没有发火，那他一定没听懂。”薛定谔的猫是诸多量子困惑中有代表性的一个。
薛定谔尝试着用一个思想实验来检验量子理论隐含的不确定之处。
设想在一个封闭的匣子里，有一只活猫及一瓶毒药。当衰变发生时，药瓶被打破，猫将被毒死。按照常识，猫可能死了也可能还活着。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出阿尔法粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的气体，猫必死无疑。原子核的衰变是随机事件，物理学家所能精确知道的只是半衰期衰变一半所需要的时间。如果一种放射性元素的半衰期是一天，则过一天，该元素就少了一半，再过一天，就少了剩下的一半。物理学家却无法知道，它在什么时候衰变，上午，还是下午。当然，物理学家知道它在上午或下午衰变的几率也就是猫在上午或者下午死亡的几率。如果我们不揭开密室的盖子，根据我们在日常生活中的经验，可以认定，猫或者死，或者活。这是它的两种本征态。如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫，则只能说，它处于一种活与不活的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切地知道猫是死是活。此时，猫构成的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道猫是死是活，它将永远处于半死不活的叠加态，可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理，客观规律不以人的意志为转移，猫既活又死违背了逻辑思维。
薛定谔挖苦说：按照量子力学的解释，箱中之猫处于“死活叠加态”既死了又活着！要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。请注意！不是发现而是决定，仅仅看一眼就足以致命！正像哈姆雷特王子引用自莎士比亚的名言所说：“生存还是死亡，这是一个问题。”只有当你打开盒子的时候，叠加态突然结束在数学术语就是“波函数坍缩llapse”，哈姆雷特王子的犹豫才终于结束，我们知道了猫的确定态：死，或者活。哥本哈根的几率诠释的优点：只出现一个结果，这与我们观测到的结果相符合。有一个大的问题：它要求波函数突然坍缩，可物理学中没有一个公式能够描述这种坍缩。尽管如此，长期以来物理学家们出于或许实用主义的考虑，还是接受了哥本哈根的诠释。付出的代价：违反了薛定谔方程。这就难怪薛定谔一直耿耿于怀了。
思想实验告诉我们：除非进行观测，否则一切都不是确定的，可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理，客观规律不以人的意志为转移，猫既活又死违背了逻辑思维。爱因斯坦和少数非主流派物理学家拒绝接受由波尔及其同事创立的理论结果。量子力学告诉我们，存在一个中间态，猫既不死也不活，直到进行观察看看发生了什么。爱因斯坦认为，量子力学只不过是对原子及亚原子粒子行为的一个合理的描述，这是一种唯象理论，它本身不是终极真理。他说过一句名言：“上帝不会掷骰子。”他不承认薛定谔的猫的非本征态之说，认为一定有一个内在的机制组成了事物的真实本性。爱因斯坦花了数年时间企图设计一个实验来检验这种内在真实性是否确在起作用，但没有完成这种设计就去世了。
寻找薛定谔猫
哥本哈根诠释
哥本哈根诠释在很长的一段时间成了“正统的”、“标准的”诠释。那只不死不活的猫却总是像恶梦一样让物理学家们不得安宁。格利宾在寻找薛定谔的猫中想告诉我们，哥本哈根诠释在哪儿失败？以及用什么诠释可以替代它？
格利宾
1957年，休埃弗莱特提出的“多世界诠释”似乎为人们带来了福音，由于它太离奇开始没有人认真对待。格利宾认为，多世界诠释有许多优点，由此它可以代替哥本哈根诠释。我们下面简单介绍一下休埃弗莱特的多世界诠释。
格利宾在书中写道：“埃弗莱特……指出两只猫都是真实的。有一只活猫，有一只死猫，它们位于不同的世界中。问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变，而在于它既衰变又不衰变。当我们向盒子里看时，整个世界分裂成它自己的两个版本。这两个版本在其余的各个方面都是全同的。区别只是在于其中一个版本中，原子衰变了，猫死了而在另一个版本中，原子没有衰变，猫还活着。”
也就是说，上面说的“原子衰变了，猫死了原子没有衰变，猫还活着”这两个世界将完全相互独立地演变下去，就像两个平行的世界一样。格利宾显然十分赞赏这一诠释，故他接着说：“这听起来就像科幻，然而……它是基于无懈可击的数学方程，基于量子力学朴实的、自洽的、符合逻辑的结果。”“在量子的多世界中，我们通过参与而选择出自己的道路。在我们生活的这个世界上，没有隐变量，上帝不会掷骰子，一切都是真实的。”按格利宾所说，爱因斯坦如果还活着，他也许会同意并大大地赞扬这一个“没有隐变量，上帝不会掷骰子”的理论。
这个诠释的优点：薛定谔方程始终成立，波函数从不坍缩，由此它简化了基本理论。它的问题：设想过于离奇，付出的代价是这些平行的世界全都是同样真实的。这就难怪有人说：“在科学史上，多世界诠释无疑是目前所提出的最大胆、最野心勃勃的理论。”
量子相干性
1996年5月，美国科罗拉多州博尔德的国家标准与技术研究所的nre等人用单个铍离子做成了“薛定谔的猫”并拍下了快照，发现铍离子在第一个空间位置上处于自旋向上的状态，而同时又在第二个空间位置上处于自旋向下的状态，而这两个状态相距80纳米之遥！1纳米等于1毫微米这在原子尺度上是一个巨大的距离3。想像这个铍离子是个通灵大师，他在纽约与喜马拉雅同时现身，一个他正从摩天楼顶往下跳伞而另一个他则正爬上雪山之巅！量子的这种“化身博士”特点，物理学上称“量子相干性”。
相对解释
在实验中，无论是多少概率存活或者死亡，相对于观测者来说，在未观测之前，都存在不确定性，即其存在叠加态。但将参考系建立在实验对象猫身上，其结果已经确定，是客观存在的，并非以外界观测者是否观测而决定其真实的结果。
分析上述后得出思考，猫和外界观测者构成两个相对的参考系，实验开启后，以猫为参考系时，其结果状态为客观真实确定而以外界观测者为参考系时，猫存在叠加态，这种叠加态不是客观结果，而是从未被观测的状态现象。
为了更直观的理解，将实验过程视作事件，当所选参考系不同时，其不能等同于一个事件。当选取以猫为参考系时，命名为事件，事件结束状态即猫参考系的状态当选取以外界观测者时，命名为事件，未观测时，事件尚未结束，其处于叠加态。观测后，事件结束，叠加态坍缩，呈现其最终状态。
薛定谔方程
埃尔温薛定谔在20世纪20年代中期创立了现在被称为量子力学分支中的一个方程。后来被称之为薛定谔现六光子薛定谔猫态
方程：2x，y，z82/h2x，y，zx，y，z0
量子理论是20世纪科学的重大进展之一，由于量子力学对传统观念所带来的巨大冲击，连“量子”的提出者在内的科学家都想尽各种办法拒绝它，或做出各种调和性的解释4。事实上，薛定谔就被量子力学的结果弄得心神不安，他不喜欢波粒二象性的二元解释以及波的统计解释，试图建立一个只用波来解释的理论。
薛定谔猫态
含义
美国科学家宣布，他们成功让6个铍离子系统实现了自旋方向完全相反的宏观量子叠加态，也就是量子力学理论中的“薛定谔猫”态。
根据量子力学理论，物质在微观尺度上存在两种完全相反状态并存的奇特状况，这被称为有效的相干叠加态。由大量微观粒子组成的宏观世界是否也遵循量子叠加原理？奥地利物理学家薛定谔为此在1935年提出着名的“薛定谔猫”佯谬。
“薛定谔猫”佯谬假设了这样一种情况：将一只猫关在装有少量镭和的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有的瓶子，猫就会死如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。
显然，既死又活的猫是荒谬的，可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理，客观规律不以人的意志为转移，猫既活又死违背了逻辑思维。薛定谔想要借此阐述的物理问题：宏观世界是否也遵从适用于微观尺度的量子叠加原理。“薛定谔猫”佯谬巧妙地把微观放射源和宏观的猫联系起来，旨在否定宏观世界存在量子叠加态。然而随着量子力学的发展，科学家已先后通过各种方案获得了宏观量子叠加态5。此前，科学家最多使4个离子或5个光子达到“薛定谔猫”态。如何使更多粒子构成的系统达到这种状态并保存更长时间，已成为实验物理学的一大挑战。
实验
美国国家标准和技术研究所的莱布弗里特等人在最新一期自然杂志上称，他们已实现拥有粒子较多而且持续时间最长的“薛定谔猫”态。实验中，研究人员将铍离子每隔若干微米“固定”在电磁场阱中，然后用激光使铍离子冷却到接近绝对零度，并分三步操纵这些离子的运动。为了让尽可能多的粒子在尽可能长的时间里实现“薛定谔猫”态，研究人员一方面提高激光的冷却效率，另一方面使电磁场阱尽可能多地吸收离子振动发出的热量。最终，他们使6个铍离子在50微秒内同时顺时针自旋和逆时针自旋，实现了两种相反量子态的等量叠加纠缠，也就是“薛定谔猫”态。
奥地利因斯布鲁克大学的研究人员也在同期自然杂志上报告说，他们在8个离子的系统中实现了“薛定谔猫”态，维持时间稍短。
研究意义
科学家称，“薛定谔猫”态不仅具有理论研究意义，也有实际应用的潜力。比如，多粒子的“薛定谔猫”态系统可以作为未来高容错量子计算机的核心部件，也可以用来制造极其灵敏的传感器以及原子钟、干涉仪等精密测量装备。
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。但其实，量子力学定律将月亮这种巨大质量的物体的波函数限制在很小的区域中，所以即使月亮弥散开去，弥散的程度也不是人眼能看出来的。
测不准原理解释：测量一个粒子的位置和速度，其办法是将光照到这粒子上，一部分光波被此粒子散射开，由此指明它的位置。人们不可能将粒子的位置确定到到光的两个波峰之间距离更小的程度，故必须用短波长的光来测量，至少要用一个光量子。这量子会扰动这粒子，并改变粒子的速度，而且位置测量得越准确所需的波长就越短，单独量子的能量就越大，粒子的速度就被扰动得越厉害。你对粒子的位置测量得越准确，对速度的测量就越不准确。月亮不观测时不是不存在，量子态在观测时由于观测力的相互作用而使波函数坍塌为确定值，微观粒子整体呈现规律性，宏观尺度下观测力几乎对其不影响。参考资料：史蒂芬霍金所着时间简史
不能不承认，这听起来很有强烈的主观唯心论的味道，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eeerkeley主教的那句名言：“存在就是被感知”拉丁文：sseseripi。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，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。
妄生录