儘管量子論的誕生已經(jīng)過(guò)了一個(gè)世紀(jì)，其輝煌鼎盛與繁榮也過(guò)了半個(gè)世紀(jì)。量子理論曾經(jīng)引起的困惑直到21世紀(jì)仍困惑著人們。正如玻爾的名言：“誰(shuí)要是第一次聽(tīng)到量子理論時(shí)沒(méi)有發(fā)火，那他一定沒(méi)聽(tīng)懂。”薛定諤的貓是諸多量子困惑中有代表性的一個(gè)。
薛定諤嘗試著用一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)量子理論隱含的不確定之處。
設(shè)想在一個(gè)封閉的匣子裡，有一隻活貓及一瓶毒藥。當(dāng)衰變發(fā)生時(shí)，藥瓶被打破，貓將被毒死。按照常識(shí)，貓可能死了也可能還活著。毒藥瓶上有一個(gè)錘子，錘子由一個(gè)電子開(kāi)關(guān)控制，電子開(kāi)關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動(dòng)電子開(kāi)關(guān)，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出裡面的***氣體，貓必死無(wú)疑。原子核的衰變是隨機(jī)事件，物理學(xué)家所能精確知道的只是半衰期——衰變一半所需要的時(shí)間。如果一種放射性元素的半衰期是一天，則過(guò)一天，該元素就少了一半，再過(guò)一天，就少了剩下的一半。物理學(xué)家卻無(wú)法知道，它在什麼時(shí)候衰變，上午，還是下午。當(dāng)然，物理學(xué)家知道它在上午或下午衰變的機(jī)率——也就是貓?jiān)谏衔缁蛘呦挛缢劳龅臋C(jī)率。如果我們不揭開(kāi)密室的蓋子，根據(jù)我們?cè)谌粘Ｉ钪械慕?jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)定，貓或者死，或者活。這是它的兩種本徵態(tài)。如果我們用薛定諤方程來(lái)描述薛定諤貓，則只能說(shuō)，它處?kù)兑环N活與不活的疊加態(tài)。我們只有在揭開(kāi)蓋子的一瞬間，才能確切地知道貓是死是活。此時(shí)，貓構(gòu)成的波函數(shù)由疊加態(tài)立即收縮到某一個(gè)本徵態(tài)。量子理論認(rèn)爲(wèi)：如果沒(méi)有揭開(kāi)蓋子，進(jìn)行觀察，我們永遠(yuǎn)也不知道貓是死是活，它將永遠(yuǎn)處?kù)栋胨啦换畹寞B加態(tài)，可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理，客觀規(guī)律不以人的意志爲(wèi)轉(zhuǎn)移，貓既活又死違背了邏輯思維。
薛定諤挖苦說(shuō)：按照量子力學(xué)的解釋，箱中之貓?zhí)庫(kù)丁八溃畀B加態(tài)”——既死了又活著！要等到打開(kāi)箱子看貓一眼才決定其生死。（請(qǐng)注意！不是發(fā)現(xiàn)而是決定，僅僅看一眼就足以致命！）正像哈姆雷特王子（引用自莎士比亞的名言）所說(shuō)：“生存還是死亡，這是一個(gè)問(wèn)題。”只有當(dāng)你打開(kāi)盒子的時(shí)候，疊加態(tài)突然結(jié)束（在數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)就是“波函數(shù)坍縮（collapse）”），哈姆雷特王子的猶豫才終於結(jié)束，我們知道了貓的確定態(tài)：死，或者活。哥本哈根的機(jī)率詮釋的優(yōu)點(diǎn)：只出現(xiàn)一個(gè)結(jié)果，這與我們觀測(cè)到的結(jié)果相符合。有一個(gè)大的問(wèn)題：它要求波函數(shù)突然坍縮，可物理學(xué)中沒(méi)有一個(gè)公式能夠描述這種坍縮。儘管如此，長(zhǎng)期以來(lái)物理學(xué)家們出於或許實(shí)用主義的考慮，還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價(jià)：違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿於懷了。
思想實(shí)驗(yàn)告訴我們：除非進(jìn)行觀測(cè)，否則一切都不是確定的，可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理，客觀規(guī)律不以人的意志爲(wèi)轉(zhuǎn)移，貓既活又死違背了邏輯思維。愛(ài)因斯坦和少數(shù)非主流派物理學(xué)家拒絕接受由波爾及其同事創(chuàng)立的理論結(jié)果。量子力學(xué)告訴我們，存在一箇中間態(tài)，貓既不死也不活，直到進(jìn)行觀察看看發(fā)生了什麼。愛(ài)因斯坦認(rèn)爲(wèi)，量子力學(xué)只不過(guò)是對(duì)原子及亞原子粒子行爲(wèi)的一個(gè)合理的描述，這是一種唯象理論，它本身不是終極真理。他說(shuō)過(guò)一句名言：“‘上帝’不會(huì)擲骰子。”他不承認(rèn)薛定諤的貓的非本徵態(tài)之說(shuō)，認(rèn)爲(wèi)一定有一個(gè)內(nèi)在的機(jī)制組成了事物的真實(shí)本性。愛(ài)因斯坦花了數(shù)年時(shí)間企圖設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)這種內(nèi)在真實(shí)性是否確在起作用，但沒(méi)有完成這種設(shè)計(jì)就去世了。
尋找薛定諤貓
哥本哈根詮釋
哥本哈根詮釋在很長(zhǎng)的一段時(shí)間成了“正統(tǒng)的”、“標(biāo)準(zhǔn)的”詮釋。那隻不死不活的貓卻總是像惡夢(mèng)一樣讓物理學(xué)家們不得安寧。格利賓在《尋找薛定諤的貓》中想告訴我們，哥本哈根詮釋在哪兒失敗？以及用什麼詮釋可以替代它？
格利賓
1957年，休·埃弗萊特提出的“多世界詮釋”似乎爲(wèi)人們帶來(lái)了福音，由於它太離奇開(kāi)始沒(méi)有人認(rèn)真對(duì)待。格利賓認(rèn)爲(wèi)，多世界詮釋有許多優(yōu)點(diǎn)，由此它可以代替哥本哈根詮釋。我們下面簡(jiǎn)單介紹一下休·埃弗萊特的多世界詮釋。
格利賓在書(shū)中寫(xiě)道：“埃弗萊特……指出兩隻貓都是真實(shí)的。有一隻活貓，有一隻死貓，它們位於不同的世界中。問(wèn)題並不在於盒子中的放射性原子是否衰變，而在於它既衰變又不衰變。當(dāng)我們向盒子裡看時(shí)，整個(gè)世界分裂成它自己的兩個(gè)版本。這兩個(gè)版本在其餘的各個(gè)方面都是全同的。區(qū)別只是在於其中一個(gè)版本中，原子衰變了，貓死了；而在另一個(gè)版本中，原子沒(méi)有衰變，貓還活著。”
也就是說(shuō)，上面說(shuō)的“原子衰變了，貓死了；原子沒(méi)有衰變，貓還活著”這兩個(gè)世界將完全相互獨(dú)立地演變下去，就像兩個(gè)平行的世界一樣。格利賓顯然十分讚賞這一詮釋，故他接著說(shuō)：“這聽(tīng)起來(lái)就像科幻小說(shuō)，然而……它是基於無(wú)懈可擊的數(shù)學(xué)方程，基於量子力學(xué)樸實(shí)的、自洽的、符合邏輯的結(jié)果。”“在量子的多世界中，我們通過(guò)參與而選擇出自己的道路。在我們生活的這個(gè)世界上，沒(méi)有隱變量，上帝不會(huì)擲骰子，一切都是真實(shí)的。”按格利賓所說(shuō)，愛(ài)因斯坦如果還活著，他也許會(huì)同意並大大地讚揚(yáng)這一個(gè)“沒(méi)有隱變量，‘上帝’不會(huì)擲骰子”的理論。
這個(gè)詮釋的優(yōu)點(diǎn)：薛定諤方程始終成立，波函數(shù)從不坍縮，由此它簡(jiǎn)化了基本理論。它的問(wèn)題：設(shè)想過(guò)於離奇，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(shuō)：“在科學(xué)史上，多世界詮釋無(wú)疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論。”
量子相干性
1996年5月，美國(guó)科羅拉多州博爾德的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的Monroe等人用單個(gè)鈹離子做成了“薛定諤的貓”並拍下了快照，發(fā)現(xiàn)鈹離子在第一個(gè)空間位置上處?kù)蹲孕蛏系臓顟B(tài)，而同時(shí)又在第二個(gè)空間位置上處?kù)蹲孕蛳碌臓顟B(tài)，而這兩個(gè)狀態(tài)相距80納米之遙！（1納米等於1毫微米）——這在原子尺度上是一個(gè)巨大的距離[3] 。想像這個(gè)鈹離子是個(gè)通靈大師，他在紐約與喜馬拉雅同時(shí)現(xiàn)身，一個(gè)他正從摩天樓頂往下跳傘；而另一個(gè)他則正爬上雪山之巔！——量子的這種“化身博士”特點(diǎn)，物理學(xué)上稱“量子相干性”。
相對(duì)解釋
在實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論是多少概率存活或者死亡，相對(duì)於觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，在未觀測(cè)之前，都存在不確定性，即其存在疊加態(tài)。但將參考系建立在實(shí)驗(yàn)對(duì)象貓身上，其結(jié)果已經(jīng)確定，是客觀存在的，並非以外界觀測(cè)者是否觀測(cè)而決定其真實(shí)的結(jié)果。
分析上述後得出思考，貓和外界觀測(cè)者構(gòu)成兩個(gè)相對(duì)的參考系，實(shí)驗(yàn)開(kāi)啓後，以貓爲(wèi)參考系時(shí)，其結(jié)果狀態(tài)爲(wèi)客觀真實(shí)確定；而以外界觀測(cè)者爲(wèi)參考系時(shí)，貓存在疊加態(tài)，這種疊加態(tài)不是客觀結(jié)果，而是從未被觀測(cè)的狀態(tài)現(xiàn)象。
爲(wèi)了更直觀的理解，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程視作事件，當(dāng)所選參考系不同時(shí)，其不能等同於一個(gè)事件。當(dāng)選取以貓爲(wèi)參考系時(shí)，命名爲(wèi)A事件，A事件結(jié)束狀態(tài)即貓參考系的狀態(tài)；當(dāng)選取以外界觀測(cè)者時(shí)，命名爲(wèi)B(tài)事件，未觀測(cè)時(shí)，B事件尚未結(jié)束，其處?kù)动B加態(tài)。觀測(cè)後，B事件結(jié)束，疊加態(tài)坍縮，呈現(xiàn)其最終狀態(tài)。
薛定諤方程
埃爾溫·薛定諤在20世紀(jì)20年代中期創(chuàng)立了現(xiàn)在被稱爲(wèi)量子力學(xué)分支中的一個(gè)方程。後來(lái)被稱之爲(wèi)薛定諤現(xiàn)六光子薛定諤貓態(tài)
方程：▽2ψ（x，y，z）+（8π2m/h2）[E-U（x，y，z）]ψ（x，y，z）=0
量子理論是20世紀(jì)科學(xué)的重大進(jìn)展之一，由於量子力學(xué)對(duì)傳統(tǒng)觀念所帶來(lái)的巨大沖擊，連“量子”的提出者在內(nèi)的科學(xué)家都想盡各種辦法拒絕它，或做出各種調(diào)和性的解釋[4] 。事實(shí)上，薛定諤就被量子力學(xué)的結(jié)果弄得心神不安，他不喜歡波粒二象性的二元解釋以及波的統(tǒng)計(jì)解釋，試圖建立一個(gè)只用波來(lái)解釋的理論。
薛定諤貓態(tài)
含義
美國(guó)科學(xué)家宣佈，他們成功讓6個(gè)鈹離子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態(tài)，也就是量子力學(xué)理論中的“薛定諤貓”態(tài)。
根據(jù)量子力學(xué)理論，物質(zhì)在微觀尺度上存在兩種完全相反狀態(tài)並存的奇特狀況，這被稱爲(wèi)有效的相干疊加態(tài)。由大量微觀粒子組成的宏觀世界是否也遵循量子疊加原理？奧地利物理學(xué)家薛定諤爲(wèi)此在1935年提出著名的“薛定諤貓”佯謬。
“薛定諤貓”佯謬假設(shè)了這樣一種情況：將一隻貓關(guān)在裝有少量鐳和***的密閉容器裡。鐳的衰變存在機(jī)率，如果鐳發(fā)生衰變，會(huì)觸發(fā)機(jī)關(guān)打碎裝有***的瓶子，貓就會(huì)死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)量子力學(xué)理論，由於放射性的鐳處?kù)端プ兒蜎](méi)有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就理應(yīng)處?kù)端镭埡突钬埖寞B加狀態(tài)。這隻既死又活的貓就是所謂的“薛定諤貓”。
顯然，既死又活的貓是荒謬的，可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理，客觀規(guī)律不以人的意志爲(wèi)轉(zhuǎn)移，貓既活又死違背了邏輯思維。薛定諤想要藉此闡述的物理問(wèn)題：宏觀世界是否也遵從適用於微觀尺度的量子疊加原理。“薛定諤貓”佯謬巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯(lián)繫起來(lái)，旨在否定宏觀世界存在量子疊加態(tài)。然而隨著量子力學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家已先後通過(guò)各種方案獲得了宏觀量子疊加態(tài)[5] 。此前，科學(xué)家最多使4個(gè)離子或5個(gè)光子達(dá)到“薛定諤貓”態(tài)。如何使更多粒子構(gòu)成的系統(tǒng)達(dá)到這種狀態(tài)並保存更長(zhǎng)時(shí)間，已成爲(wèi)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的一大挑戰(zhàn)。
實(shí)驗(yàn)
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所的萊布弗裡特等人在最新一期《自然》雜誌上稱，他們已實(shí)現(xiàn)擁有粒子較多而且持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的“薛定諤貓”態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，研究人員將鈹離子每隔若干微米“固定”在電磁場(chǎng)阱中，然後用激光使鈹離子冷卻到接近絕對(duì)零度，並分三步操縱這些離子的運(yùn)動(dòng)。爲(wèi)了讓儘可能多的粒子在儘可能長(zhǎng)的時(shí)間裡實(shí)現(xiàn)“薛定諤貓”態(tài)，研究人員一方面提高激光的冷卻效率，另一方面使電磁場(chǎng)阱儘可能多地吸收離子振動(dòng)發(fā)出的熱量。最終，他們使6個(gè)鈹離子在50微秒內(nèi)同時(shí)順時(shí)針自旋和逆時(shí)針自旋，實(shí)現(xiàn)了兩種相反量子態(tài)的等量疊加糾纏，也就是“薛定諤貓”態(tài)。
奧地利因斯布魯克大學(xué)的研究人員也在同期《自然》雜誌上報(bào)告說(shuō)，他們?cè)?個(gè)離子的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了“薛定諤貓”態(tài)，維持時(shí)間稍短。
研究意義
科學(xué)家稱，“薛定諤貓”態(tài)不僅具有理論研究意義，也有實(shí)際應(yīng)用的潛力。比如，多粒子的“薛定諤貓”態(tài)系統(tǒng)可以作爲(wèi)未來(lái)高容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的核心部件，也可以用來(lái)製造極其靈敏的傳感器以及原子鐘、干涉儀等精密測(cè)量裝備。
量子派後來(lái)有一個(gè)被哄傳得很廣的論調(diào)說(shuō)
“當(dāng)我們不觀察時(shí)，月亮是不存在的”，這稍稍偏離了本意，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，因爲(wèi)月亮也是由不確定的粒子組成的，所以如果我們轉(zhuǎn)過(guò)頭不去看月亮，那一大堆粒子就開(kāi)始按照波函數(shù)彌散開(kāi)去。於是乎，月亮的邊緣開(kāi)始顯得模糊而不確定，它逐漸“融化”，變成概率波擴(kuò)散到周圍的空間裡去。當(dāng)然這麼大一個(gè)月亮完全融化成空間中的概率是需要很長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)間的，不過(guò)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是：要是不觀察月亮，它就從確定的狀態(tài)變成無(wú)數(shù)不確定的疊加。不觀察它時(shí)，一個(gè)確定的，客觀的月亮是不存在的。但只要一回頭，一輪明月便又高懸空中，似乎什麼事也沒(méi)發(fā)生過(guò)一樣。但其實(shí)，量子力學(xué)定律將月亮這種巨大質(zhì)量的物體的波函數(shù)限制在很小的區(qū)域中，所以即使月亮彌散開(kāi)去，彌散的程度也不是人眼能看出來(lái)的。
測(cè)不準(zhǔn)原理解釋：測(cè)量一個(gè)粒子的位置和速度，其辦法是將光照到這粒子上，一部分光波被此粒子散射開(kāi)，由此指明它的位置。人們不可能將粒子的位置確定到到光的兩個(gè)波峰之間距離更小的程度，故必須用短波長(zhǎng)的光來(lái)測(cè)量，至少要用一個(gè)光量子。這量子會(huì)擾動(dòng)這粒子，並改變粒子的速度，而且位置測(cè)量得越準(zhǔn)確所需的波長(zhǎng)就越短，單獨(dú)量子的能量就越大，粒子的速度就被擾動(dòng)得越厲害。你對(duì)粒子的位置測(cè)量得越準(zhǔn)確，對(duì)速度的測(cè)量就越不準(zhǔn)確。（月亮不觀測(cè)時(shí)不是不存在，量子態(tài)在觀測(cè)時(shí)由於觀測(cè)力的相互作用而使波函數(shù)坍塌爲(wèi)確定值，微觀粒子整體呈現(xiàn)規(guī)律性，宏觀尺度下觀測(cè)力幾乎對(duì)其不影響。）（參考資料：史蒂芬.霍金所著《時(shí)間簡(jiǎn)史》）
不能不承認(rèn)，這聽(tīng)起來(lái)很有強(qiáng)烈的主觀唯心論的味道，它其實(shí)和我們通常理解的那種哲學(xué)理論有一定區(qū)別，不過(guò)講到這裡，許多人大概都會(huì)自然而然地想起貝克萊（George Berkeley）主教的那句名言：“存在就是被感知”（拉丁文：Esse Est Percipi）。這句話要是稍微改一改講成“存在就是被測(cè)量”，那就和哥本哈根派的意思差不離了。貝克萊在哲學(xué)史上的地位無(wú)疑是重要的，人們通常樂(lè)於批判他，我們的哥本哈根派是否比他走得更遠(yuǎn)呢？好歹貝克萊還認(rèn)爲(wèi)事物是連續(xù)客觀地存在的，因爲(wèi)總有“上帝”在不停地看著一切。而量子論？“陛下，我不需要上帝這個(gè)假設(shè)”。
與貝克萊互相輝映的東方代表大概要算王陽(yáng)明。他在《傳習(xí)錄·下》中也說(shuō)過(guò)一句有名的話：“你未看此花時(shí)，此花與汝同歸於寂；你來(lái)看此花時(shí)，則此花顏色一時(shí)明白起來(lái)……”如果王陽(yáng)明懂量子論，他多半會(huì)說(shuō)：“你未觀測(cè)此花時(shí)，此花並未實(shí)在地存在，按波函數(shù)而歸於寂；你來(lái)觀測(cè)此花時(shí)，則此花波函數(shù)發(fā)生坍縮，它的顏色一時(shí)變成明白的實(shí)在……”測(cè)量即是理，測(cè)量外無(wú)理。