薛定谔不是薛涛、薛仁贵和薛宝钗的本家,其实他不是中国人,也不是碰巧和中国人同姓。他是奥地利物理学家,他和爱因斯坦一样觉得量子力学不完备,常年和哥本哈根学派争论不休。爱因斯坦不相信上帝会掷骰子,坚决反对玻尔的量子理论,不惜同玻尔闹翻。玻尔则针锋相对地回应:“上帝不仅掷骰子,而且把它抛到我们看不到的地方。”事情偏偏就是这样,正是爱因斯坦提出的光量子假说和薛定谔提出的波动方程,共同奠定和推动了量子力学的发展,尽管他们后来都对量子力学的解释心存疑虑。
量子力学是物理学的重要分支,专门研究原子、电子等等微观粒子的运动规律。根据量子力学,微观粒子的位置本质上是一组概率:它既可以在这里,也可以在那里。描述粒子状态的 “波函数”,并不对应某个确定位置,而是给出一系列可能状态的概率分布。一旦进行物理测量,粒子原本的 “叠加态” 就会发生 “退相干”—— 它不再同时处于多种状态,只会出现在与测量仪器(或环境粒子)发生相互作用的那个位置。
这一点,用 “单粒子双缝干涉实验” 最容易说明:在不受任何干扰时,单个光子 / 电子仿佛同时穿过两条狭缝,自己与自己发生干涉 —— 展现出波动性。可一旦在狭缝旁放置探测器,试图 “看它究竟走了哪条路”,探测器的干扰就会瞬间破坏量子的相干性。此时粒子立刻表现出经典特性:只从其中一条狭缝穿过,干涉条纹消失,屏幕上只留下两道光斑。
再比如电子的自旋:测量之前,它处于 “既向上、也向下” 的概率叠加态。但只要与环境发生足够的相互作用、相干性随之消失(也就是常说的 “波函数坍缩”),最终的测量结果就只能是 “自旋向上” 或 “自旋向下” 中的一种 —— 二者必居其一。
很明显量子理论违背常识,似是而非,自相矛盾。对这样的理论爱因斯坦当然不相信,那个被称为不懂薛定谔方程的薛定谔也不相信。为了证明量子理论的荒谬性,薛定谔设想了一个试验:把一只可怜的小猫关在一个盒子里,它可以是白猫、黑猫,只要会抓老鼠就行。盒子里有个烧瓶装着剧毒气体,烧瓶上面有个榔头,榔头由一个原子的裂变状况控制。如果放射性元素衰变了,那么榔头就会砸破烧瓶,释放毒气,毒死可怜的猫。假如原子没裂变,猫就不会死。当然这里得假设那些装置都能正常运作。
假如你家正好养着一只猫,大概不会同意借给薛定谔做实验。猫当然更不会同意。要是它知道自己有一半概率会被毒死,多半会先想办法逃走。所以箱子一定要封好,既不要让外面的人看见,毒气也不能漏出来,还要透气,要不然还没放出毒气猫就憋死了。显然这样的箱子并不好找。
原子裂变的概率为50%。从理论上来讲,猫死活的概率也是50%。但根据量子理论,薛定谔的猫可以同时处在不同的状态,它既是死的又活的,或既不死也不活,而是两种状态的叠加。在打开盒子观察时,这种叠加状态就退化为两种清晰状态中的一种,也只能处于其中的一种:要么死、要么活。人的观察使事件坍塌,我们绝对不能观察到猫既是死的又是活的。
爱因斯坦认为,在我们打开箱子之前,猫要不是死的,要不是活的,和我们有没有打开没有半点关系,打开只是证明了到底是死是活。
根据我们的常识我们会赞同爱因斯坦的观点。这只猫要不死要不活,不可能同时死同时活。这样一类比,量子力学的微观理论在宏观世界就成了悖论。薛定谔提出这个 “猫悖论”,本意正是要把微观世界的诡异规律,放大到我们熟悉的宏观世界 —— 用显而易见的 “荒谬”,证明哥本哈根解释的漏洞。
后来大量实验不断验证了量子力学预测的结果,因此今天几乎没有物理学家怀疑量子理论本身。真正仍有争论的,不是实验结果,而是这些结果究竟意味着什么。薛定谔的猫并没有退出舞台,它从物理课本里走了出来,成了一个哲学符号。
于是问题来了:观察究竟改变了世界,还是仅仅改变了我们对世界的认知?哥本哈根学派倾向于前一种理解,而爱因斯坦始终相信后一种。至于这是不是意味着贝克莱所谓"存在就是被感知",我不敢轻易下结论。物理学和哲学,又一次在这个思想实验里,奇妙地相遇了。
但我还是搞不清楚猫既死又活的状态究竟是否真实存在,我现在就处于既相信又怀疑的状态。猫有没有意识?知不知道自己是死是活?我们和猫都是宇宙的一部分,假如猫不知道,是不是有可能我们也不知道自己是死是活?不知道自己是身在此岸还是彼岸?或者我们也是既死又活?也许在宇宙中别的观察者眼里 —— 我们,也正处于某种 “既生又死” 的叠加状态?
在宏观层面上怎么理解量子理论和薛定谔的猫?有人用怀孕来类比,同房后可能怀孕也可能没怀孕。但过几周一旦做了检测,结果不是有就是没有,是确定的,不再是个概率。这个类比显然不妥,完全可以用爱因斯坦的解释来解释。还有人说它如同我们又悲又喜,或又爱又恨的情感,可情绪终究是主观感受,不是物理状态。也许更恰当的比喻,是滑短视频,不仅你不知道,连算法服务器都还没决定会出现什么视频,正是你 “滑动” 这一个动作,才让 “不确定” 变成 “确定”—— 是新闻、是科普、还是别的什么,在你做出选择的那一刻,结果才真正 “诞生”。
根据量子理论,做实验时猫有没有在箱子里本身是否也是概率事件?有没有考虑到猫有九条命,不是那么容易死?假如毒气已经释放出来,上帝不想让猫死,那么猫会不会死?如果连上帝也不能干预一个已经发生的量子事件,那么掷骰子的,到底是谁?
此时我听到一条狗在叫,它是不是薛定谔的狗?会叫肯定是活的,我们可以肯定它是一条巴甫洛夫的狗。
而这篇文章,显得既深刻又浅显,既严谨又胡闹,在你读到最后一个字之前,也正处于 “写得好” 与 “写得不好” 的叠加态之中。
读到这里,一切的概率云,都已经坍缩 ——
我希望它成为一篇好看的文章。