薛定諤的貓
——生死未卜

☉ 楊建鄴

世界上大約有兩只貓?zhí)煜侣劽Ｒ恢皇怯骷铱_爾寫的《愛麗絲漫游奇境》里的柴郡貓，一只是“薛定諤的貓”。前者可能更加有名，因?yàn)樗霈F(xiàn)在風(fēng)靡全球的童話小說中。薛定諤的貓也許一般人不太知道，實(shí)際上這只貓比柴郡貓更加古怪，在科學(xué)界可是聞名遐邇，聲震四方。它的出現(xiàn)曾經(jīng)引起過科學(xué)界巨大的震撼，讓所有過世的和在世的物理學(xué)家都曾經(jīng)和仍然繼續(xù)陷入一片混亂之中。下面就先從它的出世講起。

薛定諤的貓

由前面幾章講到的內(nèi)容可知，愛因斯坦和薛定諤都反對量子力學(xué)的正統(tǒng)詮釋，所以相互之間也經(jīng)常就量子力學(xué)問題交換意見。薛定諤認(rèn)為他的方程中的波函數(shù)是對實(shí)在的描述，愛因斯坦不同意這一觀點(diǎn)，他認(rèn)為波函數(shù)只能描述系統(tǒng)的行為，而不能描述個(gè)體的狀態(tài)，而這正是量子力學(xué)不完備之處。為了說服薛定諤，愛因斯坦還提出一個(gè)“炸藥佯謬”。愛因斯坦假定有一包炸藥，在一定的時(shí)間里可能隨時(shí)爆炸。在沒有爆炸之前，描述這包炸藥的波函數(shù)表示的是已爆炸和未爆炸炸藥的不確定狀態(tài)的迭加。但是，炸藥要么已經(jīng)爆炸，要么還沒有爆炸，不可能處于“不確定”狀態(tài)。因此愛因斯坦說：“我們不能把波函數(shù)看做是對實(shí)在的充分的描述?！?/p>

薛定諤受了愛因斯坦的啟發(fā)，不久就在德國《自然科學(xué)》雜志上，發(fā)表了《量子力學(xué)的目前情形》一文，對正統(tǒng)觀點(diǎn)再次提出批評。文章由三部分組成。他用嘲諷的風(fēng)格寫道：他不知道是將這篇文章稱為“報(bào)告”還是稱為“一般聲明”，語氣中暗示了他認(rèn)為“目前的狀況”不盡如人意。

最有意思的是，文中薛定諤設(shè)想了一個(gè)量子貓實(shí)驗(yàn)，這一實(shí)驗(yàn)就是此后無人不知的“薛定諤的貓”的實(shí)驗(yàn)。因?yàn)樵牟惶枚?，我們用簡單明了的文字介紹如下：

在一個(gè)盒子里，用一個(gè)放射性原子的衰變來觸發(fā)一個(gè)裝有毒氣的瓶子的開關(guān)，毒氣可以毒死一同在盒子里的貓。我們知道，按哥本哈根學(xué)派的詮釋，放射性原子的衰變可以用波函數(shù)來描述。當(dāng)用波函數(shù)描述不同狀態(tài)的組合時(shí)（如放射性元素“衰變了”或“沒有衰變”這兩種狀態(tài)的組合），我們稱之為“波的迭加態(tài)”；在沒有打開盒子時(shí)，放射性原子進(jìn)入了衰變與不衰變的迭加態(tài)，由此貓也成了一只處于迭加態(tài)的貓，即又死又活、半死半活、處于地獄邊緣的貓。

正像哈姆雷特王子所說：“是死，還是活，這可真是一個(gè)問題。”只有當(dāng)你打開盒子觀察的一瞬間，迭加態(tài)突然結(jié)束(數(shù)學(xué)術(shù)語就是“坍縮”)，哈姆雷特王子的猶豫才終于結(jié)束——我們知道了貓的確定態(tài)：死，或者活。哥本哈根學(xué)派的幾率詮釋的優(yōu)點(diǎn)是：只出現(xiàn)一個(gè)結(jié)果，這與我們觀測到的結(jié)果相符合。但是有一個(gè)大的問題：它要求波函數(shù)突然坍縮。但物理學(xué)中沒有一個(gè)公式能夠描述這種坍縮，而且這種瞬時(shí)的突然坍縮與相對論也不相符合。盡管如此，長期以來物理學(xué)家們出于實(shí)用主義的考慮，還是接受了哥本哈根學(xué)派的詮釋。付出的代價(jià)是：違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿于懷了。

哥本哈根詮釋在很長一段時(shí)間里成了“正統(tǒng)的”、“標(biāo)準(zhǔn)的”詮釋。但那只不死不活的貓卻總是像《愛麗絲漫游奇境》里的柴郡貓一樣在空中時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，讓物理學(xué)家們不得安寧。

正統(tǒng)詮釋一再勸說人們：對于量子世界，不要相信我們的常識，而要相信我們直接看到的或者用實(shí)驗(yàn)設(shè)備準(zhǔn)確測量到的，對于這一點(diǎn)我們是有把握的。如果不進(jìn)行測量，我們就不知道盒子中發(fā)生了什么。所以盒子中的貓是死是活，正統(tǒng)派的物理學(xué)家并不在意，他們只關(guān)心測量，對于沒有測量的貓?zhí)幱诘討B(tài)中的哪一態(tài)，他們不感興趣，而且認(rèn)為討論這個(gè)問題實(shí)在沒有意義。

1936年3月，薛定諤見到玻爾（哥本哈根學(xué)派的代表人物）時(shí)又交流了關(guān)于量子力學(xué)的看法。后來薛定諤在給愛因斯坦的信中談到這次談話：“玻爾對于勞厄和我，尤其是你，利用已知的佯謬來反駁量子力學(xué)的哥本哈根詮釋，感到十分震驚……在他看來，哥本哈根詮釋不僅在邏輯上無懈可擊，并且在經(jīng)驗(yàn)上已經(jīng)被大量的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。他認(rèn)為我們似乎在強(qiáng)迫大自然接受關(guān)于實(shí)在性的先入之見?！?/p>

“薛定諤的貓”佯謬還有一個(gè)令正統(tǒng)詮釋派感到困惑的地方：盒子里的貓是“什么時(shí)候“從又死又活的迭加態(tài)突然坍縮（或轉(zhuǎn)變）為我們所知道的或死或活的狀態(tài)呢？這是一個(gè)更嚴(yán)重的困惑和麻煩，甚至引起正統(tǒng)派內(nèi)部的不同意見。

我們可以這樣設(shè)想：在薛定諤的盒子里放一個(gè)攝像機(jī)，作為一種測量儀器，攝像機(jī)可以測量出貓什么時(shí)候是死是活，但在盒子沒有打開之前，對于人來說，貓仍處于迭加態(tài)又死又活。貓到底什么時(shí)候或死或活，仍然讓人困惑。海森伯說，只有“觀察者”（即人）才能夠使得波函數(shù)坍縮，從而把貓從又死又活的迭加態(tài)中解放出來。這也就是說只有觀察者的“上帝之眼”才能把一個(gè)“量子貓”變成“經(jīng)典貓”。但玻爾則不同意海森伯“上帝之眼”的觀點(diǎn)，他認(rèn)為測量只需要經(jīng)典儀器就行了，與觀測者沒有關(guān)系，經(jīng)典儀器就足以解救這只量子貓，使它或死或活地成為經(jīng)典貓。

海森伯和玻爾不同的意見，引出了更麻煩的問題：誰才有資格作為“觀察者”呢？而且，玻爾這種必須考慮整個(gè)實(shí)驗(yàn)、波函數(shù)坍縮的方式取決于所有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的說法，似乎告訴我們，測量設(shè)備比我們要觀察的東西更重要，因?yàn)楸挥^察的東西僅僅在被觀察的時(shí)候才是真實(shí)的。即使在20世紀(jì)30年代，許多物理學(xué)家也都認(rèn)為這是不可思議的。

但哥本哈根詮釋已經(jīng)搖搖晃晃地存在了近七十年。從上世紀(jì)30年代到80年代，大多數(shù)物理學(xué)家都同意這種詮釋，因?yàn)樗拇_是可以用來預(yù)測實(shí)驗(yàn)的一個(gè)實(shí)用的工具。但在80年代以后，物理學(xué)家中有一些人對關(guān)于量子論究竟意味著什么的詮釋，產(chǎn)生了越來越多的不滿意。主要的問題仍然與薛定諤的貓（即波函數(shù)的坍縮）有關(guān)系。

量子力學(xué)的多世界詮釋

1997年7月，在英國劍橋大學(xué)牛頓研究所舉行的量子計(jì)算會(huì)議上，有人曾對參加會(huì)議的人做過一次非正式的調(diào)查。調(diào)查的結(jié)果明確顯示，主流的觀點(diǎn)正在發(fā)生變化。在接受調(diào)查的90位物理學(xué)家中，只有8人保持哥本哈根正統(tǒng)詮釋觀點(diǎn)，有30人接受“多世界詮釋”，還有50人選擇的是“不贊同上述任何觀點(diǎn)或者未拿定主意”。對此，美國物理學(xué)家惠勒在2001年2月號《科學(xué)美國人》上發(fā)表的文章《量子之謎百年史》中寫道：“這次調(diào)查清楚地表明，該是更新量子力學(xué)教科書的時(shí)候了?！s概念作為一種計(jì)算工具毫無疑問仍將有很大的用處，但是，如果再加一句提醒，說明它可能并不是一種違背薛定諤方程的基本過程，那就有助于精明的學(xué)生免遭長時(shí)間的摸不著頭腦之苦?！?/p>

現(xiàn)在回到“多世界詮釋”：它是量子力學(xué)中諸多詮釋中的一種，它是惠勒的學(xué)生艾弗瑞特（1930-1982）在1957年提出的，開始物理學(xué)界反應(yīng)極其冷淡，到了80年代以后才逐漸引起重視。

艾弗瑞特畢業(yè)于美國天主教大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)。20世紀(jì)50年代，他改變了專業(yè)，到普林斯頓大學(xué)攻讀理論物理博士學(xué)位，導(dǎo)師是著名的理論物理學(xué)家惠勒。惠勒是一位熱情洋溢、好奇心極強(qiáng)而且“膽大包天”的物理學(xué)家，他鼓勵(lì)他的學(xué)生提出看似“瘋狂”和“推向極致”的觀點(diǎn)。

艾弗瑞特在這種強(qiáng)烈創(chuàng)新氛圍中，開始了他輝煌的研究。經(jīng)過對哥本哈根學(xué)派正統(tǒng)詮釋做了充分的獨(dú)立思考后，他逐漸形成了自己的觀點(diǎn)。他認(rèn)為正統(tǒng)詮釋中波函數(shù)的坍縮是一種沒有必要的觀念，可以通過他的多世界詮釋去掉。

1957年，艾弗瑞特提出的“多世界詮釋”似乎為人們帶來了福音，雖然由于它太離奇，一開始沒有人認(rèn)真對待。英國物理學(xué)家格利賓認(rèn)為，多世界詮釋有許多優(yōu)點(diǎn)，它可以代替哥本哈根詮釋。我們下面簡單介紹一下艾弗瑞特的多世界詮釋。

在波函數(shù)的迭加態(tài)沒有坍縮之前，在處于迭加態(tài)的觀測者看來，每一個(gè)態(tài)都可以看成是一些備選的平行世界。以薛定諤的貓來說，艾弗瑞特指出兩只貓都是真實(shí)的。有一只活貓，有一只死貓，但它們位于不同的世界中。問題并不在于盒子中的放射性原子是否衰變，而在于它既衰變又不衰變。當(dāng)我們向盒子里看時(shí)，整個(gè)世界分裂成它自己的兩個(gè)版本。這兩個(gè)版本在其余的各個(gè)方面都是相同的。唯一的區(qū)別在于其中一個(gè)版本中，原子衰變了，貓死了；而在另一個(gè)版本中，原子沒有衰變，貓還活著。

也就是說，上面說的“原子衰變了，貓死了，原子沒有衰變，貓還活著”這兩個(gè)世界將完全相互獨(dú)立地平行演變下去，就像兩個(gè)平行的世界一樣。這聽起來就像科幻小說，然而它是基于無懈可擊的數(shù)學(xué)方程，基于量子力學(xué)樸實(shí)、自洽和符合邏輯的結(jié)果。

這個(gè)詮釋的優(yōu)點(diǎn)是：薛定諤方程始終成立，波函數(shù)從不坍縮，由此它簡化了基本理論。它的問題是：設(shè)想過于離奇，付出的代價(jià)是這些平行的世界全都是同樣真實(shí)的。這就難怪有人說：“在科學(xué)史上，多世界詮釋無疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論?！?/p>

艾弗瑞特把以上觀點(diǎn)寫成了博士論文，惠勒對這篇論文很贊許，論文的預(yù)印本在1956年初已經(jīng)在一些同行中傳聞。1957年1月，艾弗瑞特在北卡羅萊納大學(xué)的一次物理學(xué)會(huì)議上宣讀了他的這篇論文，不久后在1957年7月號《物理評論》上發(fā)表了論文的簡介。

不幸的是，雖然有惠勒的推薦和簡短介紹，但艾弗瑞特的新詮釋公布之后，物理學(xué)界的反應(yīng)還是出乎意料地冷淡，據(jù)說艾弗瑞特曾經(jīng)到哥本哈根去會(huì)見玻爾，對人一貫熱情、關(guān)愛和有寬容心的玻爾沒有見他。正統(tǒng)派的物理學(xué)家?guī)缀跬耆芙^了多世界詮釋，漠然置之。

艾弗瑞特遭到學(xué)術(shù)界如此冷漠的對待，大失所望，于是在獲得了博士學(xué)位以后就決然離開了物理學(xué)界。

1968年，惠勒的一個(gè)同事和量子引力理論的主要奠基人之一布賴斯·德威特和他的學(xué)生格拉罕姆寫了一系列文章，介紹和發(fā)展了艾弗瑞特的多世界詮釋，這才使得艾弗瑞特的理論重見天日。到了20世紀(jì)80年代，物理學(xué)家們對多世界詮釋越來越重視，這使得艾弗瑞特有心重新返回物理學(xué)界，對量子力學(xué)中最基本的測量問題進(jìn)行更深入的研究?？上莻€(gè)不愛運(yùn)動(dòng)的“老煙槍”，竟于1982年因心臟病而英年早逝。

格利賓在他1995年寫的《尋找薛定諤的貓：量子物理和真實(shí)性》一書中寫道：“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(gè)世界里，沒有隱變量，上帝不會(huì)擲骰子，一切都是真實(shí)的?！?/p>

按照格利賓所說，愛因斯坦如果還活著，他也許會(huì)同意并大大地贊揚(yáng)這一個(gè)“沒有隱變量，上帝不會(huì)擲骰子”的多世界理論。

我們也許記得，在20世紀(jì)20年代，有一位物理學(xué)家聲稱他有一個(gè)理論可以解決量子理論的基本問題時(shí)，玻爾說：“你的理論的確美妙，但是還沒有美妙到真實(shí)的程度?！备窭e現(xiàn)在認(rèn)為，艾弗瑞特的理論“確實(shí)已經(jīng)美妙到真實(shí)的程度，在尋找薛定諤的貓方面，這個(gè)理論可以給出一個(gè)合適的答案”。由此可見格利賓對艾弗瑞特的多世界詮釋抱有多么大的信心。

但是，盡管艾弗瑞特的多世界詮釋有非常吸引人的地方，但也存在幾個(gè)問題。首先，如果這些分開的世界不能發(fā)生相互作用，那么非常清楚的是，沒有任何辦法能夠檢驗(yàn)艾弗瑞特的說法。其次，測量的問題雖然解決了，但是沒有帶來新的預(yù)言。因此這個(gè)理論看起來不能令人滿意。甚至約翰·惠勒最后也總結(jié)說，艾弗瑞特的觀點(diǎn)只能提供一些想法。這個(gè)理論的詳細(xì)公式體系也有很大的問題。費(fèi)曼擔(dān)心，在這些不同的世界當(dāng)中，應(yīng)該有很多份我們自己的拷貝。我們的每一個(gè)拷貝都知道世界是怎么因我們而分裂的，因此我們就可以往前追溯我們的過去。當(dāng)我們觀察我們過去的行蹤的時(shí)候，觀察結(jié)果是不是和一個(gè)“置身事外的”觀察者得到的結(jié)果一樣“真實(shí)”呢？更進(jìn)一步，雖然在我們觀察自身之外的世界的時(shí)候，我們可能把自己當(dāng)成“外面的”觀察者，但是我們之外的世界包括別的觀察者也在觀察我們呀！我們會(huì)不會(huì)就以為我們看見的東西總是有一致的觀察結(jié)果呢，就像費(fèi)曼說的：“可以有很多很多的推測，討論這些東西并沒有什么用處?！?/p>

物理學(xué)家們也都知道，還有許多技術(shù)上的難題等待他們?nèi)ソ鉀Q。但是正如格利賓所說：

我們要么不得不接受哥本哈根詮釋，連同那幽靈般的現(xiàn)實(shí)的和半死半活的貓；要么接受艾弗瑞特的多世界詮釋。當(dāng)然，可以認(rèn)為科學(xué)市場上“最好的家伙”都是不正確的；這兩種選擇都是錯(cuò)的。關(guān)于量子力學(xué)的現(xiàn)實(shí)，可能還有另一種解釋，它能解決哥本哈根詮釋和艾弗瑞特的詮釋已經(jīng)解決的所有問題……但是如果你認(rèn)為這是一個(gè)輕松的選擇，一條容易走出困境的路，那么你必須記?。喝魏芜@種“新的”解釋都必須能夠解釋自從普朗克在黑暗中取得突破以來的所有成就；在解釋萬物方面，它必須與目前這兩種理論一樣好，或者更好。的確，守株待兔似地等待某人對我們的問題提出一個(gè)好的答案，這不是科學(xué)的態(tài)度。在沒有更好的答案的情況下，我們就不得不正視目前能得到的最好答案。

因?yàn)橥瑯拥睦碛?，很多物理學(xué)家對多世界詮釋很有興趣，并且抱有信心，其中包括著名的物理學(xué)家費(fèi)曼、蓋爾曼、霍金等人。

這些物理學(xué)家既肯定了艾弗瑞特的詮釋，也提出了一些改進(jìn)的意見。目前，許多物理學(xué)家認(rèn)為多世界詮釋的確是一個(gè)具有獨(dú)創(chuàng)性和革命性的看法。我國量子哲學(xué)研究者和超光速通信研究專家高山認(rèn)為：多世界詮釋“否定了一個(gè)單獨(dú)的經(jīng)典世界的存在，而認(rèn)為實(shí)在是一種包含有很多世界的實(shí)在，它的演化是嚴(yán)格決定論的”。

但是，多世界詮釋仍然有許多重大問題無法解釋，因此，物理學(xué)家們對待多世界詮釋也不是都表示贊成或者放心，反對者也不乏其人。還有許多理論不斷地在提出。這些對一般讀者來說十分奇怪的理論，我們這兒就不能一一介紹了。我想，英國物理學(xué)家安東尼·黑和沃爾特在他們寫的《新量子世界》一書中說得好：

在我們關(guān)于量子測量問題的簡單討論中，只能很膚淺地觸及這些爭論的表面。我們希望讀者不要為觀點(diǎn)的繁雜而沮喪，考慮到這些偉大的物理學(xué)家之間也有不同意見，你們應(yīng)該受到鼓舞才對。量子力學(xué)不是一本已經(jīng)完成了的學(xué)問，21世紀(jì)可能還會(huì)有一些驚人的發(fā)現(xiàn)在等著我們。