薛丁格的貓既死了又活著?
薛丁格的貓(Erwin Schrdinger's Cat)是奧地利著名物理學家薛丁格(Erwin Schrdinger, 1887年8月12日——1961年1月4日)提出的一個思想實驗,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。

微觀粒子具有波粒二象性,在量子力學中用一個波函數來描述。而波函數具有一個重要的性質:它可以展開成若干個本徵狀態的疊加,這叫做態疊加原理,就好比一個粒子可以既是自旋向下的狀態又是自旋向上的狀態。這是一種很難直觀想像但是卻被無數實驗證實了的微觀世界的特徵。
在薛丁格的貓的實驗中,某個粒子處於衰變與不衰變的疊加態,而實驗儀器規定一旦粒子衰變則釋放毒氣將貓毒死。所以既然粒子可以處於衰變與不衰變的疊加態,與粒子衰變綁定在一起的貓的性命是不是也就處於生和死的疊加態了呢?
必須澄清,用現代的觀點來看,薛丁格的貓是一個比喻性大於嚴肅性的思想對象。態疊加原理雖然也可以直接運用到宏觀物體上,但我們通常不這樣做。不這樣做的原因是量子疊加,量子糾纏這些現象其實非常脆弱,需要非常小心地保護。宏觀物體時時刻刻與環境進行無法避免的相互作用,這些相互作用會很快破壞掉脆弱的量子態。
一個宏觀物體哪怕一開始處於量子疊加態,它的量子疊加態也會迅速因環境相互作用的擾動坍縮掉。這個時間尺度是極快的,快到人根本無法察覺。這個過程叫做宏觀物體與環境作用的熱退相干。也正因如此,量子力學雖然一直是對的,但你在現實生活中從來就不會看到一隻貓處於死活疊加態。
這隻既死又活的貓就是所謂的「薛丁格貓」。這是一個初期提出來時非常生動且非常有啟發性的物理學比喻,但由於過於生動,後來反而誤導了不少非專業人士。生活中是不可能存在既死又活的貓,則必須在打開箱子後才知道結果。該實驗試圖從宏觀尺度闡述微觀尺度的量子疊加原理的問題,巧妙地把微觀物質在觀測後是粒子還是波的存在形式和宏觀的貓聯繫起來,以此求證觀測介入時量子的存在形式。隨著量子物理學的發展,薛丁格的貓還延伸出了平行宇宙等物理問題和哲學爭議。
上帝到底擲不擲骰子?
「上帝不擲骰子。」
多年以來,愛因斯坦的這句話已經成了他反對量子力學及其隨機性的標誌。人們自然而然地把這句名言當作他斷然否定量子力學的證據,因為量子力學把隨機性看作是物理世界的內稟性質。
故事是這樣的。愛因斯坦拒絕接受這樣一個事實:一些事情是非決定論的——它們發生就是發生了,人們永遠找不出原因。在同時代的人中,他幾乎是惟一一個還抱此信念的:他堅信宇宙是經典物理式的,像鐘錶那樣機械地嘀嗒運轉,每個瞬間都決定著下個瞬間。擲骰子的這句臺詞象徵了他人生的另一面:提出相對論的物理革命者可悲地變成了保守派,在量子理論方面「落後於時代潮流」——尼爾斯·玻爾這樣評價。

愛因斯坦與玻爾關於問題的爭論,最後是玻爾的量子論更勝一籌,為什麼人們只知道愛因斯坦而不知道玻爾呢?
我相信,愛因斯坦比玻爾更著名的原因有很多。第一點,愛因斯坦的學術成就的確比玻爾高。20世紀有兩大物理學革命:玻爾帶著海森堡、薛丁格、泡利和愛因斯坦、德布羅意、狄拉克、普朗克這一堆人一起初步完成了量子力學革命。另一邊,愛因斯坦一個人完成了相對論革命。
第二點,對大眾來說,相對論本身比量子力學更好理解,更容易接受,結論也更顛覆常人的世界觀。
——相對論:「空間彎曲,時間變慢,星際旅行,質能轉換。」
——大眾:「666,不明覺厲!」
——量子力學:「貓同時既是死的又是活的。」
——大眾:「你是不是傻?」
第三點,二戰末和二戰之後的冷戰對峙以及20世紀60年代核物理的高速發展,使得原子彈幾乎成為當時的一種流行文化,E=mc2成為一個家喻戶曉的物理公式,而締造這個公式的愛因斯坦幾乎成為大眾心目中智慧的化身。再加上愛因斯坦那極具辨識度的髮型,儼然是一時的「時尚教父」。
最後說一點,愛因斯坦反駁玻爾時提出了一個EPR實驗。後來證明愛因斯坦在EPR上的主張是錯的,但EPR本身又成為了一個新學科量子通信量子信息的源頭。也就是說,學霸的錯誤都是對我們人類的巨大貢獻。你說這讓人怎麼受得了?