薛丁格的貓——箱子裡的貓既是活的又是死的,直到我們看到它

2020-12-11 一周科技評論

1935年,量子力學的鼻祖之一、奧地利天才薛丁格終於受夠數學上的怪異詮釋。經過與包括愛因斯坦在內的同僚漫長的討論之後,他提出科學史上最著名的一個臆想實驗。他撰寫了一篇題為《量子力學現況》(The Present Situation in Quantum Mechanics)的長篇論文,發表在一份頂尖的德文科學期刊裡。這篇文章自此被暱稱為「薛丁格的貓」;許多人曾經絞盡腦汁試圖凸顯或破解這一則薛丁格所述的悖論,包含量子物理學家在內。這些年來,許多獨具想像力的奇特解答陸續被提出,包括向過去的時刻發送訊息,以及意識心智的力量足以改變事實存在等。

薛丁格提出的問題是,如果將一隻貓跟一部蓋格計數器以及少量的放射性物質一起放在一個密閉箱子裡一段時間,會發生什麼事。由於放射性物質的量極少,有50%的概率在1小時內只會有一個原子產生衰變,並釋出一個次原子粒子,例如阿爾法粒子。假如發生這種情況,將會觸發蓋格計數器,經由繼電裝置啟動錘子打破一隻小燒瓶,將氫氰酸釋出到盒子裡,立即置貓於死地(我想無需說明這類實驗從未實際執行過,這就是為什麼它被稱作「臆想實驗」)。

正如我們上一章所提到的,放射性原子衰變發生的時機,是一種甚至在原則上也無法事先預測的量子事件。根據量子力學另外兩位開山祖師玻爾與海森堡所提出的標準來詮釋,這並不是因為我們無法掌握預測所需的所有信息,而是因為在量子的層次上,大自然本身就不知道衰變何時會發生。許多人相信,這種隨機事件能讓我們倖免於上一章所提的牛頓決定論。我們只能推斷,經過一段時間(與物質的放射性半衰期有關)之後,原子有某個概率會產生衰變。當箱蓋蓋上的那一刻,我們確知原子尚未衰變。之後,我們不僅不知道原子是否已產生衰變,而且還被迫將放射性樣本中的每個原子描述成同時處於兩種態——已衰變和未衰變,前者的概率隨著時間增加,後者隨著時間減少。我必須強調,這並不是由於我們無法得知箱子裡發生什麼事。我們被迫接受這種描述,因為這就是量子世界的運作方式:只有當原子與其他物質存在於如幽靈般的中間態時,微觀世界才能被我們所理解。如果原子不是這樣表現,我們恐怕就無法理解微觀世界了。

只有在上述情況確實為真時,許多物理現象才得以獲得解釋。例如,要了解太陽如何發光,我們必須藉由這些奇特的量子行為來說明其內部熱核融合反應的過程。日常巨觀世界中的物理定律常識並無法解釋原子核如何融合在一起,使太陽散發出熱與光。假使沒有這些熱與光,我們當然不可能在地球上生存。如果原子核的表現不按照量子規則,所帶的正電荷會在彼此之間建構出一道斥力場屏障,它們便永遠不可能靠近到足以進行融合。正是因為它們表現得像一團暈開的量子物質,所以可以彼此重迭,偶爾還會發生兩者位於力場屏障同一側的情況。

當薛丁格領會到量子世界是如此奇特後,他認為:貓也是由原子組成的,而每一個原子都遵從量子力學的法則;當貓被放在箱子裡,其命運便與放射性原子糾纏在一起(術語叫做「纏結」, entangled),也應該適用相同的量子法則。如果原子未產生衰變,貓就會存活下來;如果發生衰變,貓就死了。如果原子同時處於這兩種態,貓也必須同時處於兩種態——活貓態和死貓態。這意味著,貓既不是真的活著也不是真的死了,而是處於一種模糊的、非物理的、介於兩者之間的狀態,只有當箱子打開,貓才會出現兩種態的其中一種。這就是標準量子力學所告訴我們的,聽起來像無稽之談,畢竟我們從來沒有看過這種既活又死的貓。量子物理卻告訴我們,在親眼目睹之前,我們必須用這種方式來描述貓的狀態。

不論這個異想天開的概念聽起來多麼荒唐,請讀者務必相信,它並不只是長時間浸淫在方程式中的理論物理學家們所得到的瘋狂結論,而是科學上最強大而可靠的理論所做出的嚴謹預測。

當然,我希望你會認為,貓必然是死的或是活的,我們把箱子打開並不會影響其結果。問題不就出在我們無從得知箱內已發生的狀況(或未發生的狀況)?沒錯,這正是薛丁格想要凸顯的重點。

儘管薛丁格對於新理論貢獻極大(量子力學中最重要的方程式就是以他的名字來命名),他仍然不甚滿意;甚至在1920年代,他光是在這些議題上就與玻爾及海森堡數度進行爭辯。

不論對非物理學家的普羅大眾解釋得多麼仔細,量子力學聽起來依舊令人費解,甚至不切實際。但不論在邏輯上或數學上,規範量子行為的定律和方程式都是明確而完整的。就算許多量子物理學家自身未必滿意方程式中的抽象符號與真實世界產生連結的方式,量子力學中豐富的數學架構依然非常實用且精確,無庸置疑地反映出這個世界的根本事實。我們能否在保留量子力學及其詭異性質的前提下,破解貓的悖論?如果無法解開這個謎題,又會如何?一路走來我們已經戰勝許多強大的精靈,不該在這裡被一隻小貓擊敗。

埃爾溫·薛丁格

1925年至1927年間,科學面臨空前絕後的革命。當然,科學史上也有其他偉大的時刻,例如哥白尼、伽利略、牛頓、達爾文、愛因斯坦、康普頓·克裡克及華生等人的新發現,從本質上改變我們對於這個世界的理解。但我認為,這些偉大天才們改變科學的深遠程度都比不上量子力學。這個領域在幾年的時間裡發展起來,並且永遠地改變我們對現實存在的看法。

我來簡單介紹一下1920年代初期物理界的情況。當時已知所有的物質由原子組成,科學家們對於這些原子內部的構造以及其組成也已經有粗淺的了解。由於愛因斯坦的貢獻,我們知道光既能夠表現出粒子流的性質,也可以像蔓延開來的波,依所建立的實驗裝置是針對光的何種性質而定。同時也有愈來愈多證據顯示,物質粒子(例如電子)同樣可以呈現出這兩種相互矛盾的性質,儘管非常怪異。

1916年,玻爾從曼徹斯特凱旋榮歸,回到哥本哈根。他在曼城時曾協助歐內斯特·盧瑟福德建立一個原子內的電子如何環繞原子核運行的理論模型。幾年之後,在嘉士伯啤酒商的贊助下,他在哥本哈根成立了一間新的研究機構。在獲頒1922年諾貝爾物理學獎的殊榮之後,他開始找來一些當代最偉大的科學天才。這群「後起之秀」當中最有名的當屬德國物理學家海森堡。 1925年夏天,海森堡在德國赫裡戈蘭島治療他的花粉症,逐漸康復的同時,他也在建構描述原子世界所需的新數學並取得重大進展。這是一種奇怪的數學,它所告訴我們關於原子的一切則顯得更加不可思議。例如,海森堡認為不僅在不進行量測時,我們無法指出原子電子確切的位置,即便進行量測,電子本身也不會有一個明確的位置,而是一團難以掌握的模糊狀態。

海森堡被迫得出這樣的結論:原子世界是一個虛幻的半真實世界,只有當我們建立一套量測儀器去探測它時,才能將它轉化為具體而清晰的存在。即使如此,儀器也只能顯示量測所針對的性質。

在沒有詳述太多技術細節的前提下,測量電子位置的儀器確實會找出電子的位置,而另一套測量電子運動速度的儀器也會提供確切的答案,但卻不可能在實驗中同時測出電子的確切位置及其運動速度。這個想法即是著名的海森堡測不準原理(Heisenberg Uncertainty Principle),迄今仍然是科學上最重要的概念之一。 1926年1月,大約在海森堡發展這些構想的同時,薛丁格發表了一篇論文,提出另一種數學方法來描繪原子的不同圖像。

他的原子理論表明,環繞原子核的電子並非位置模糊而不可測知,它其實像是原子核周圍的一種能量波。電子之所以沒有明確位置,是因為它並非是一個粒子,而是一種波動。薛丁格想要區分下面兩者:電子看起來是一團模糊暈開的圖像,與電子是一團清晰可辨的雲霧。在這兩種情況下,我們都無法指出電子的明確位置,但薛丁格傾向認為電子其實是散布開來的波,直到我們查看它為止。他的原子理論被稱為「波動力學」,其著名的方程式用來描述這些波動如何隨著時間以完全命定的方式演變。

時至今日,我們已經學會用這兩種方式來看待量子世界——海森堡抽象的數學方法,以及薛丁格的波動方式。這兩種表述方式都沒有問題,學生也都會學到;量子物理學家則根據手邊欲解決的問題形式,輕易地在這兩種表述之間轉換。而且,這兩種理論都對這個世界的物理現象做出相同的預測,並與實驗結果完美吻合。其他量子物理先驅如沃爾夫岡·泡利和保羅·狄拉克也曾在1920年代晚期指出,這兩種理論在數學上是完全等價的,差別只在於用哪種理論描述原子所對應的特殊性質較方便而已。情況類似用兩種不同的語言描述同一件事。

量子力學作為一種數學理論,儘管已經極為成功地詮釋微觀原子世界的結構,以及從電子、夸克、到微中子等構成物質的各種要素,它仍然有一些尚未解決的問題,包括我們應如何詮釋數學,以及量子世界如何放大成為我們所熟悉及居住的巨觀世界。後者正是薛丁格在他的悖論中凸顯的問題。

量子疊加

整個故事還缺了一個重要的環節。我要求讀者思考貓的問題;他由數以兆計的原子所組成,能同時處於存活與死亡兩種態。但我同時還期望你僅基於量子世界的怪異性,就接受單一原子可同時處於兩種態的概念。因此,我想我最好先解釋清楚物理學家為何如此確定原子是這樣表現的。

量子物體「同時做兩件(或更多)事」或者「同時位於兩處(或更多處)」的特性,嚴格的說法叫做「迭加」(superposition),而這個概念可能不如你想像中陌生。事實上,迭加並非量子力學獨具的性質,而是一般波動都會有的特性。在水波的例子裡,這個特性最為明顯。想像我們正在觀賞奧運會的跳水比賽。當選手躍入水中,你會看到圓形的波紋由入水點一路向外擴散到水池邊。這與泳池中擠滿了戲水的人潮時,到處水花飛濺的狀態呈現鮮明的對比。

許多擾動加總在一起的效應,讓水面波瀾四起。這種將不同的波累加起來的程序便稱為迭加。

考慮許多波的重迭是相當複雜的,只考慮兩個波的迭加就容易許多。設想兩顆石頭同時落入一潭止水中,一顆從你的右手,另一顆從左手。每一顆石頭入水後都會產生向外擴散的圓形波紋,並且與另一顆石頭引起的波紋重迭。如果拍攝一張這種迭加的快照,你將會觀察到複雜的圖案,並且在某些位置出現兩種極端不同的狀況:在某些位置,兩個波的波峰會累積成更高的波(稱為「建設性幹涉」);在另外一些位置,其中一道波的波峰則會完全被另一道波的波谷抵消,使該處的水面暫時平靜下來,彷佛沒有波通過一樣(稱為「破壞性幹涉」)。請記住以下觀念:兩個波的擾動經過迭加後有可能彼此抵消。

接著,我們來看這種現象在量子世界中的對等行為。我們在第五章討論光及其波動如何在宇宙中傳遞時,曾提過一種叫做幹涉儀的裝置,能夠將兩道波迭合在一起,顯示兩者之間的建設性或破壞性幹涉。在幹涉儀裡輸入單一波動,就能產生某種可觀測信號;經過調整之後,可以讓輸入的第二道波與第一道波產生破壞性幹涉,讓信號消失。這清楚證明:輸入幹涉儀的信號具有波動性。

現在我們要進入真正精彩的部分了。某些類型的幹涉儀可以偵測次原子粒子(例如電子)的出現。這些粒子可經由某種裝置將其行進路徑一分為二,使它們循著兩條不同的路徑前進,直到最後再次匯集。如果把這類裝置設計成可以接收光束,它的功能就顯而易見:光可透過一個名為「半鍍鏡」(half-silvered mirror)的裝置分為兩束(一片半透明的玻璃,能使一半的光透過並沿著其中一條路徑前進,另一半的光則被反射,走另一條不同的路徑)。這個裝置能夠使原本的一道光束變成兩道。這兩道光束(或光波)在裝置裡沿著不同的路徑傳遞,最終再度交會並在彼此之間產生幹涉;幹涉的結果則取決於各自行經路徑的精確長度。如果兩條路徑長度完全相同,兩道光波就會完全重合,稱之為「同相」(in phase);但如果它們再度交會時是「反相」(out of phase),在某些地方就會發生破壞性幹涉,這些地方就像沒有光照射到一樣。要記住的重點是,只有在兩個波彼此重迭時,會產生這些結果。

以下是量子世界真正令人震驚的性質。如果將一顆電子輸入類似的裝置,迫使它在兩條路徑中擇一(例如,利用磁鐵或帶電導線使它偏向其中一個方向),那麼我們看到的將不是常識所預期的。

電子不會沿著其中一條路逕行進,而是出現類似光波的表現,藉由某種方式分成兩半,同時沿著兩條路徑傳遞。我們怎麼知道會這樣?當一顆電子表現得像兩束通過該裝置的光時,我們在兩條路徑再度交會之處所看到的結果,正好符合預期的幹涉圖形。量子力學誕生後,物理學家就一直試圖釐清粒子(例如電子)如何做到這一點。他們似乎真的能同時沿著兩條路逕行進,否則我們就不會看到像波一樣的建設性與破壞性幹涉行為。事實顯示,當我們沒有進行觀察時,必須將量子物體描述成波,這正是量子理論所預測的。但是一旦我們進行觀測,例如在幹涉儀的其中一條路徑上安裝某種偵測器,我們不是觀測到電子行經該路徑,就是未觀測到任何信號(亦即電子走另一條路)。換句話說,當我們在電子傳遞過程中對它進行量測,就只會看到電子取道兩條路徑之一。因為在這麼做的同時,我們無可避免地會干擾它的量子行為,使任何類似波的幹涉特性消失。這時電子已不再同時沿著兩條路逕行進,所以這一點也不奇怪。

我們得到的啟示如下:在量子世界中,事情的發展取決於我們是否進行觀察,結果會有很大的不同。當我們不觀察時,它們處於迭加態,能同時做兩件以上的事。一旦我們進行觀察,就會立即迫使它們在各種選項之間做出選擇,呈現合乎常理的結果。關在箱子裡的放射性原子與貓,確實是兩種量子態的迭加,同時是已衰變與未衰變。這並不是因為我們無法掌握信息,所以必須「容許」它可能處於任一狀態,而是因為它確實是兩者虛幻般的結合。

量測問題

能夠用數學方程式描述原子的表現無疑是件好事,不過一個半吊子的科學理論,頂多只能涵蓋有關現實世界的預測,以及為了驗證這些預測所進行的實驗結果。量子力學則描述我們沒有觀測之下原子世界的運作(是種相當抽象的數學表述),但若我們決定進行量測,它也能對量測結果做出令人驚訝的準確預測。不過,從不在觀察之下到使用量測裝置,所得到的結果如何從前者轉換到後者,仍是未解的謎。這就是所謂的量測問題。這個課題可以直述如下:原子及其同類如何從一個局限於微小區域的粒子化身為數個蔓延開來、波動型態的自己,而且在我們查看時又能迅速徹底變回微小的局域性粒子?

即使量子力學獲得巨大的成功,它並未告訴我們,如何從描述電子環繞原子核運行的方程式過渡到對電子進行具體量測所獲得的結果。基於這個原因,量子力學的鼻祖們特別量身制訂了一套法則,作為量子論的補遺,稱之為「量子力學基本假設」。這些假設猶如某種說明書,告訴我們方程式導出的數學預測如何對應到我們觀察所得的具體性質,例如電子在任一時刻的位置。

至於電子轉眼間從「在此處以及他處」轉變成觀察之下的「在此處或者他處」,其實際過程究竟為何並不為人知;但大多數物理學家一直樂於採用由玻爾所提出的務實觀點——它就是這麼發生了,他稱之為「不可逆的擴大過程」。不可思議的是,對於20世紀多數的專業量子物理學家而言,這種觀點就夠用了。玻爾在量子世界(怪異事件可於其中發生)以及我們所處的巨觀世界(一切事物的表現都是合理的)之間,任意地做出區別。偵測電子的儀器設備顯然是巨觀世界的一部分;但這種量測過程究竟如何發生、為何發生、以及何時發生,玻爾並未釐清。這正是薛丁格所提出的問題——微觀與巨觀之間的分界究竟何在?我們認為,界線顯然落在原子與貓這兩個尺度之間的某處。果真如此的話,我們該如何界定這種區隔?畢竟貓本身也是原子的集合體。換言之,不論是蓋格計數器、幹涉儀、一部具有各種旋鈕和轉盤的精密儀器,甚至是一隻貓,任何量測裝置終究都是由原子組成。那麼,在受到量子定律規範的量子尺度,以及量測儀器所在的巨觀世界之間,我們要如何劃分界線?構成量測裝置的究竟是什麼?

在充滿大型物體的日常世界中,我們一向理所當然地把各種物體所呈現的樣貌當作其「真實形態」。我們如果看見某樣東西,表示光從那樣東西進入我們眼裡。然而,如果在我們希望看到的物體上打光,當光線投射其上再反射時,將會造成幹擾並使其狀態產生細微的改變。當我們看著大型物體,例如汽車、椅子、人,甚至在顯微鏡下觀察活細胞,都不會帶來任何問題,因為光粒子(光子)與被觀測物體之間的碰撞並不會產生任何能被我們察覺到的效應。但是,如果我們觀測的是量子物體,由於它們本身尺度跟光子一樣小,情況就不同了。每個作用力會產生大小相等且方向相反的反作用力。為了「看見」電子,我們得讓光子從它身上反射出來,如此一來就會將電子從它原本的路徑上撞開。

換句話說:為了獲得某個系統的信息,我們必須對它進行量測,但在此同時,我們往往也無可避免地改變了它的狀態,導致我們無法觀察到它真正的性質。在不試圖證明量子量測的微妙性之下,我試著用簡單的詞彙解釋關於量測的概念。希望這能幫助讀者理解。

讓我們暫且先喘口氣,回顧一下到目前為止談過的。我們知道量子世界難以掌握,總有些事情偷偷摸摸地發生;這些現象不僅在我們日常世界中不可能發生,而且還難以捉摸,讓我們無法透過量測去掌握。一旦打開薛丁格的箱子,我們總會發現一隻活的或是死的貓,而不是這兩種狀態的迭加。這麼看來,我們並沒有更接近悖論的解答。

孤注一擲的嘗試

那麼,物理學家對於薛丁格的論文有何反應呢?玻爾和海森堡並不認為,盒子打開之前的貓確實同時處於死的與活的兩種狀態。

他們並未提供這個悖論的合理解答,反而藉由一個巧妙的論點迴避它。他們堅稱,在打開盒子並查驗內容物之前,我們無法對貓下任何評斷,甚至連賦予它一個獨立的現實存在都不行。「貓是否真的同時既死又活」並不是一個恰當的問題。

他們所持的理由是,當箱子是封閉的,我們根本無從討論貓的「真實」狀態。我們只能檢視,方程式如何預測箱子打開時我們會發現什麼。量子力學無法告訴我們箱子裡頭發生的事,甚至無法明確告訴我們打開箱子會發現什麼;它只能預測我們發現貓死亡或存活的可能性。如果真的進行這種實驗並且重複多次(犧牲許多隻活貓),量子力學的預測就會是正確的(就像我們得多次拋擲硬幣才能確認,正反兩面出現的統計概率各為50%)。這種量子概率非常準確,但唯有堅信原子處於兩種態的迭加,我們才能算出以上的結果。

多年來,即便未能解釋量子詭異性,許多物理學家還是嘗試找出量子世界運作的方式;為了解決薛丁格的貓這個難題,有些非常奇特的建議被提出。其中一個構想稱為交換理論(transactional theory),不僅牽涉到跨空間的瞬時連結(光是這點就已經夠嚴肅了),還有跨時間的連結。根據這種觀點,打開薛丁格箱子的動作會向過去傳遞一道訊息,通知放射性原子「決定」是否進行衰變。

有一陣子,大家甚至喜歡把意識心智加入量測,迫使量子世界轉換到巨觀世界,認為意識的某種獨特性能夠驅動「不可逆的擴大過程」,導致量子迭加消失。畢竟沒有人知道,具有迭加性質的量子世界和具有確切量測結果的巨觀世界之間的界線在哪裡;或許等必要時,再劃出一條界線即可。既然測量裝置(例如偵測器、屏幕、貓)本身也是原子的集合體,其行為也應該與其他量子系統一樣。不過因為它非常龐大,當我們的意識心智認知這點之後,便被迫棄用量子的描述。

在人類意識的層次上,訂出被量測物與量測者的分界,此舉與哲學家所謂的「唯我論」沒有兩樣——觀測者是宇宙的中心,一切事物都是他(她)憑空想像出來的。還好,這種觀點已在多年前遭到揚棄。不過有趣的是(有時候也挺令人振奮),仍有許多不是物理學家的人主張,因為我們尚未完全了解量子力學本身或者意識的起源,這兩者之間必然存在某種意想不到的關聯。這種臆測雖然好玩,但在嚴謹的科學領域中還未能佔有一席之地。

那麼貓呢?它是否不具意識?它在箱子裡難道無法進行「觀測」?有一個顯而易見的方法可以檢驗這個觀點。如果將貓換成一位自願受試者,並且將致命的毒藥換成只會導致自願者失去意識的藥劑,情況會變得如何呢?(我們其實也可以用這種方式進行貓的實驗,是吧?)當箱子打開時會出現什麼?顯然,我們不會看到自願者同時處於清醒態與昏迷態;在放他出來之前,我們也無法說服他正處於這兩種態的迭加。如果他是清醒的,他會回報在整個過程中除了有點緊張之外,大致上覺得還不錯。如果我們發現他已昏迷,在恢復意識後,他可能會告訴我們,在箱子關上後十分鐘他就聽到裝置啟動的聲音,並且開始感到頭昏。接下來就跳到被嗅鹽喚醒的畫面了。儘管單一原子能夠處於量子迭加態,但自願者顯然不行。由於自願者沒什麼特點(他的意識本來就具備量測的資格,不管他是否有博士學位或穿著白色實驗衣),我們恐怕無法在他與貓之間找出任何其他明顯的區別。因此,我們被迫得出以下的結論:在箱子打開之前,我們並沒有任何理由將貓描述成既是死的又是活的,除非有其他只有貓才知道的理由。

量子漏失

如果貓根本就不可能處於不同態的迭加,那麼微觀的量子世界與我們的巨觀世界之間的分野,顯然會更傾向量子的那一端。讓我們更仔細地來探討一下所謂「量測」是什麼意思。

想想埋藏在地底深處巖石裡的鈾元素所經歷的狀況。在非常罕見的情況下,這種原子會自發性地分裂成兩個較輕的碎片並飛散開來,同時釋出大量的能量。這些能量就是核反應堆所產生的熱,可轉換成電力。這些原子核的碎片大小大約是原本鈾原子核的一半,它們生成時緊緊挨在一起,但會往任何方向飛散開來。量子力學告訴我們,在進行量測之前,我們必須假設每個碎片可能往任何方向飛開。如果我們把它們看成是波而不是粒子的話,就很容易理解這點,就像石子落入池塘後激起擴散開來的水波一樣。但我們知道,這些核分裂的碎片其實會在巖石裡留下細微的軌跡,在有些礦石裡甚至用顯微鏡就能觀察出來。事實上,研究這些長度只有千分之幾毫米的軌跡,在巖石的放射性定年法中是相當有用的技術。

重點在於:由於這些軌跡是在量子世界中產生的,在進行量測之前,我們必須描述它們出現(如果鈾原子核裂變)與未出現(如果未裂變)的狀態同時存在。如果鈾原子核已裂變,我們的描述就會馬上變成這些軌跡出現在所有方向上。但是,構成量測的要素是什麼?難道,巖石原本處於化外之境,裡面的軌跡同時存在也不存在,直到我們用顯微鏡觀察?當然不是這樣,這些巖石裡要不是有軌跡,就是沒有,無論我們是在今天對巖石進行分析、在100年後進行,或是永不進行。

對於量子世界的量測必然時時刻刻地在進行,而具有意識的觀察者(無論他們是否穿著實驗衣)在量測中顯然並未扮演任何角色。正確的定義應該是,當發生的「事件」或「現象」被記錄下來時,量測就已經發生。比方說粒子留下一條軌跡,好讓我們稍後想做觀察時能看到它。

這點似乎顯而易見,所以如果你覺得量子物理學家怎麼可能蠢到去思考別的可能,也情有可原。但話說回來,量子力學的一些預測確實是合理的;我們需要的是釐清如何記錄量子世界的事件,也就是當量子的詭異現象(同時往兩個方向移動,或是同時進行與不進行某些事)發生漏失時。

在1980年代和1990年代,物理學家們開始領悟其中的道理。他們思索以下的情況:假設一個孤立的量子系統(例如單獨的原子)不再怡然自得地以遺世獨立的迭加態繼續存在,而與巨觀的量測裝置產生耦合。這些裝置甚至可以是周遭環境,例如巖石。依照量子力學的規範,構成量測裝置或巖石的數以兆計原子也必須以迭加態存在。然而,這些精細的量子效應太過複雜,在如此巨大的巨觀設備中無法維持,於是便漏失了,就像熱能從高溫物體散逸掉一樣。這個過程稱之為「退相干」(decoherence),目前各種討論與研究便是針對這個課題。其中一種理解的方式是,巨觀系統內的原子之間各種可能交互作用的組合,會產生為數驚人的迭加態,於是個別的精細迭加態便無可挽回地遺失了。回復原來的迭加態有如將一副撲克牌「逆洗牌」,但困難度又高得多。

現今許多物理學家將退相干當成宇宙中無時無刻、無所不在的真實物理過程。當一個量子系統不再孤立於周遭環境(可以是一臺蓋格計數器、一塊巖石、周圍的空氣分子乃至於任何物體;不需涉及具有意識的觀察者),這個過程便會發生。如果它與外部環境的關聯夠強,原有的精細迭加態喪失的速度就會非常快。事實上,退相干是整個物理界中最迅速且最有效的過程之一。這種卓越的效率正是退相干的過程之所以能逃過科學家法眼這麼久的原因。直到現在,物理學家才開始慢慢知道如何控制與研究它。

即使我們尚未完全了解退相干的過程,但我們至少可以開始釐清這個悖論了。我們之所以不會同時看到薛丁格的貓死了又活著,是因為遠在我們打開箱蓋之前,退相干就已經在蓋格計數器裡發生了。蓋格計數器能夠記錄原子是否衰變,所以它迫使原子做出決定。在任何給定的時間間隔裡,原子不是產生衰變,使蓋格計數器記錄到它,引發最後置貓於死地的一系列事件;不然就是未產生衰變,蓋格計數器也沒記錄到任何事件。一旦我們從量子世界的迭加態中探出頭來,我們就回不去了,只剩簡單的統計概率可用。

2006年發表的一篇論文裡所進行的一項簡潔實驗中,兩位劍橋科學家羅傑·卡本特與安德魯·安德森證實,量子迭加的崩陷與量子詭異現象的漏失確實發生在蓋革計數器的使用上。不過這個實驗並未受到關注,也許因為大多數量子物理學家認為,在這方面已經沒有任何懸而未決的難題。

看來,退相干不僅告訴我們為何不會看到薛丁格的貓同時活著且死了,而且也開宗明義地說明為什麼貓不會處於這種中間態。當然,退相干並沒有告訴我們量子系統怎麼選擇某個選項。量子力學依然具有概率的性質,個別量測的不可預測性並未消失。

至於兩個選項當中的任一個是如何被選到的,如果你相信多重宇宙理論,就不需要特別解釋了——在某個宇宙裡貓會死亡,在另一宇宙裡則會存活。一旦你打開盒子,就等於找出你處於哪個宇宙裡:死貓的宇宙或活貓的宇宙。無論你在哪個宇宙中,總有另一個你在其他的宇宙裡打開盒子,發現別的結果。簡單明了,對吧。

相關焦點

  • 薛丁格的貓到底是什麼梗?為何一會死一會活,一會既死又活?
    幾十年前的貓——不確定性有了上面的爭執便有了這個假想實驗,薛丁格描述的是一隻貓放在裝有少量放射性物質的盒子裡。當放射性物質衰變時,它會觸發毒藥瓶上的計數器,導致毒藥瓶被破壞,從而殺死貓。關於生命只有兩種可能,非死即活,而在實驗中的貓有了第三種狀態,既死又活,因為它是一隻代表「電子」狀態的量子貓。
  • 薛丁格的貓——既死又活的貓
    主要是這些概念實在太違背我們已經既定的定律或者定理,比如最著名的要數薛丁格的貓,一隻既死又活的貓,一隻貓它既是死的也是活的兩種狀態疊加在一起,當我們打開盒子時,波函數坍塌那麼貓的死活就瞬間確定。在我們宏觀世界怎麼可能接受一隻既死又活的貓呢,根本無法理解。薛丁格的貓是諸多量子困惑中有代表性的一個。一隻貓被封在一個密室裡,密室裡有食物有毒藥。
  • 薛丁格的貓在盒子裡,可否看出它是死是活?看看科學家怎麼說?
    文/仗劍走天涯薛丁格的貓在盒子裡,到底能不能看出它是死是活呢?看看科學家怎麼說?量子力學被全人類都認為是最高的育種學碩也是最難與學透學懂的一種學說,是全世界高知識分子所研究這一種科學領域。普通人是根本沒有辦法去理解量子力學其中蘊含的道理的,薛丁格的貓被放在科學實驗的盒子當中,它到底是死還是活著的呢?薛丁格的貓這一個實驗也是世界上被譽為最難以去解決的一個難題。還能在不改變量子系統的情況下進行對他的測量。
  • 當量子力學遇上貝葉斯理論,薛丁格的貓終於不用既死又活了
    量子力學如今已經廣泛應用到各個行業,它切實改變了我們的整個工業,而量子貝葉斯理論與量子力學的這些技術方面的應用無關。量貝理論重在重新解釋量子理論的基本部分的含義。 量子力學從1925年建立,至今已經接近百年,不論在實驗還是在實際應用上,都證明了該理論的準確性。然而在物理意義的詮釋上,爭議倍出,各家各有各的解釋,誰也不服誰。
  • 薛丁格的貓是什麼貓?這是我看到的最通俗的解釋
    這就是我們傳統觀念在作崇。撇開傳統意識,我們來看看薛丁格的貓,薛丁格貓的核心就是貓處於死與活的疊加狀態(不是處於其中的一個狀態),他是根據量子理論由原子的裂變與非裂變推論出來的。原子的裂變與非裂變疊加狀態是大家公認的實事,而貓處於死於非死的疊加狀態則令大家不能接受。
  • 什麼是薛丁格的貓?
    薛丁格的貓是我們大多數人可能都聽說過的東西,但是我們當中有多少人真正知道它是什麼意思呢?今天我們就來討論一下,薛丁格的貓是在說是什麼?那麼,如果我們不打開箱子,這隻貓咪是死是活呢?薛丁格的貓按照哥本哈根學派觀點,若可以把貓作為量子力學的研究對象,則在其被囚禁在黑箱子內以後,其狀態應可以被波函數描寫,換句話說,直到盒子被打開,貓的狀態是完全未知的,因此,貓被認為處於同時活著和死了的量子疊加態
  • 薛丁格的貓在盒子裡,到底能不能看?看了可能就死了,或者活了
    量子物理學很難解釋,薛丁格的貓在盒子裡,能不能看?看了它可能就死了或者活了,因為它在盒子裡既是死的也是活的,觀察者一看就會改變了狀態。廣島大學霍爾格·F·霍夫曼副教授和印度理工學院孟買分校卡蒂克·帕特卡爾試圖解決量子物理學中最大的難題之一:如何在不改變量子系統的情況下測量它?
  • 薛丁格的貓是什麼意思比喻什麼 薛丁格的貓通俗解釋
    薛丁格的貓比喻什麼:  薛丁格的貓,比喻一件事如果你不去做,它就可能有兩個結果,而一旦你去做了,最後結果就只能有一個,你的參與也直接幹預了結果。  比如你有個老婆,你不確定她愛不愛你,這個時候在你的思維中只會有兩個結果,愛或不愛,你不問,這兩個結果永遠存在,科學上把這個稱作《既愛又不愛》,這個也就是對應薛丁格的貓裡的,既死又活的狀態吧。  只有你問了,才會有結果,但是一旦你問你老婆,這個結果就會被決定。而這個結果是由於你提出了問題所導致的,也就是你的提問直接幹預了結果。
  • 薛丁格的貓表達了什麼?世界也許不是我們看到的樣子!
    導讀:物理學上有一個著名的實驗——薛丁格的貓!是指將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。鐳的衰變存在機率,如果鐳發生衰變,會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子,貓就會死;如果鐳不發生衰變,貓就存活。根據量子力學理論,由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加,貓就理應處於死貓和活貓的疊加狀態。這隻既死又活的貓就是所謂的「薛丁格貓」。
  • 薛丁格的貓說明了什麼,理解它或許能讓你超越愛因斯坦?
    爭論的本質這一切始於對微光粒子的測量,原子的結構並非我們所想的電子有自己的軌道,在軌道上運行。實際上,電子的運動軌跡就像一朵雲,但是這不是我們所看到的,而是通過實驗得到的。當我們想測量一個物體運行的軌跡時我們需要這個物體的兩個量:速度與位置,由此我們才能判斷它下一刻的位置,從而得到它的運行軌跡。
  • 我就是薛丁格的貓
    薛丁格的貓試驗是這樣的:一個密閉的箱子裡有一隻貓、一瓶劇毒物質、一臺粒子探測器、一點放射性物質、一隻榔頭。問題來了,放射性物質什麼時候衰變完全是不確定的,那麼箱子外面的物理學家用波函數來描述貓的狀態時就不好辦了,根據態疊加原理,這時只能說貓有多大的可能性是處在活態多大的可能性處在死態,也就是說貓是處在死態與活態的疊加態上。或者說這隻貓百分之多少是活的,剩下的百分之多少是死的。貓的這種狀態和現實生活的實際是格格不入的!
  • 薛丁格的貓,指的是什麼,大多數的理解都是錯誤的
    今天,是薛丁格133歲誕辰。薛丁格的貓是的指的什麼再次進入視野。很多人對薛丁格的貓的理解可以概括成一句話:「貓在箱子裡在「死的」或者「活著」兩種狀態之一的概率各是50%,只有打開箱子才會知道是死」或者「活」。但是你如果讀了《生命是什麼》之後,你就會發現這種理解是多麼的膚淺和不準確。
  • 量子世界裡有兩隻貓,一隻是薛丁格的貓,另一隻是......
    小明看看貓,又看看背後的箱子,聯想到掉下來的過程中看到的那些表達式,突然有了個大膽的猜測,他喃喃自語道:「好傢夥,這貓不會是薛丁格貓吧,難道我這次是要把這隻貓關進箱子裡?」你打開箱子這個操作是要作用在這個箱子裡的倒黴貓上,測量它到底是處於「死」還是『活』的狀態(state)。我問你,你在測量它之前,就現在,它是個啥狀態?」「有可能還活著……也有可能已經死了……它現在就是個疊加態,「活」和「死」兩個狀態的疊加。」
  • 薛丁格的貓思想實驗原來是為了諷刺它的,量子之父看完都哭笑不得
    :薛丁格的貓,其實「薛丁格的貓」思想實驗的提出者薛丁格對於自己的想法都感到十分荒誕,其實薛丁格的原本是想用這個實驗來嘲諷這種學派思想的,但卻沒想到薛丁格的貓爆紅全球。,於是提出了著名的思想實驗:薛丁格的貓。
  • 簡單科普,薛丁格的貓到底是什麼意思?
    那為什麼會出現這種結果呢,這個實驗的巧妙之處在於使量子力學的微觀世界不確定性變為宏觀世界的不確定性;微觀的混沌變為宏觀的荒謬--貓要麼死了,要麼活著,兩者必居其一,粒子可以處於疊加狀態,但是貓不行,它不可能同時既死又活。英國科學家霍金聽到薛丁格貓佯謬時說:"我去拿槍來把貓打死!".
  • 薛丁格的貓,前世、今生、後世
    你聽說過薛丁格的貓麼?不要被其簡單的字面意思所誤解。首先,薛丁格不姓薛,也不是中國人,他的全名是:埃爾溫·薛丁格,著名的奧地利理論物理學家。然後,他也並不養貓。最後,薛丁格的貓並不是一部寵物文學或電影。那薛丁格的貓說的是啥?
  • 薛丁格的貓究竟是什麼?為什麼讓人如此抓狂?
    在量子力學中,有一個非常有意思的思想實驗,即著名的薛丁格的貓的實驗,那麼這個實驗究竟是什麼呢?讓我們來一探究竟吧!發射出來的電子有可能通過上面的路逕到達B箱子,也有可能通過下面的路逕到達C箱子,電子通過這兩條路徑的概率是一樣的。其中,C箱子裡有一隻活貓和一個毒氣裝置,並且如果有電子進入C箱子,毒氣裝置就會釋放毒氣,最終毒死這隻貓。
  • 或許你要先解開薛丁格貓的生死之謎……
    可能很多人都不知道,如果把薛丁格的貓這個問題單獨拿出來說的話,其實我們已經有了這個問題的答案,但是可能還有很多人不知道。所以我就詳細地講一講這隻著名的又死又活的貓。薛丁格的貓是死還是活?薛丁格的貓到底是什麼問題?
  • 一隻既死又活的貓——通俗易懂解釋薛丁格的貓原理
    薛丁格的貓是由薛丁格提出的一種理想實驗假說。實驗中,我們在一個封閉不透明的盒子中放置一個放射性原子,一個粒子探測裝置,一隻貓,一個錘子,一個放置劇毒的瓶子。如果放射性原子發生了衰變,粒子探測器就會接收到粒子,發出信號打碎瓶子,貓必死無疑。另一種是粒子不發生衰變,貓活著。然而,實驗不能受光和其他因素的幹擾,所以人們無法查看實驗結果。這樣一來,薛丁格的貓就是一隻既死又活的貓了。人們打開盒子查看是一種宏觀活動,而實驗研究的是微觀現象。打開盒子,就會使微觀和宏觀發生錯亂。
  • 薛丁格的貓在講一個什麼道理?真的存在「既死又活」的狀態嗎
    量子世界是個奇妙的世界~對量子力學的研究也給我們帶來非常非常多的想像空間以及未來的可能性!學物理的朋友對「薛丁格的貓」這個實驗是非常了解的吧?但是這個小小的實驗說明了什麼問題呢?可能大家的理解也是五花八門的吧?