在第三講的最後,我們來講一點輕鬆而殘酷的內容。
相信大家聽說過哈姆雷特的內心獨白:生存還是毀滅,這是一個問題。量子的狀態是可以疊加的,那麼除了生存和毀滅之外,是否哈姆雷特還可以有一個狀態是「生存並且毀滅」呢?要回答這個問題,下面請出物理學四大神獸之一的薛丁格貓。
在一個封閉的盒子裡裝有一個量子儀器和一隻貓,這個量子儀器,比如說是一個量子的粒子,它有一半的可能會衰變,另一半的可能則不發生衰變。如果這個粒子衰變了,就會引發一瓶毒藥被打破。毒藥被打破了之後,貓就會被毒死。而另有一半可能,量子衰變並沒有發生,那麼毒藥沒有被打破,貓也沒有被毒死。根據量子力學,在測量之前,量子衰變有沒有發生這件事情是處於一個疊加狀態的,也就是說,在測量之前,該粒子處於衰變了和沒有衰變的疊加狀態。那是不是意味著,毒藥被打破、沒被打破也處於疊加狀態呢?是不是貓的死還是生也處於一個疊加狀態呢?
在問這個問題之前,我們先來聽一聽貓的觀點。這個貓有意見了,說:「為什麼受傷的總是我呀?你能不能找一些別的動物來做這個實驗?你不要找我來做這個實驗,好不好?」其實我們找貓來做這個實驗是有一定的必然性的,有內因也有外因。內因是盒子對貓有致命的誘惑力,你有一個盒子,就算你不讓貓進來,它也非得要鑽進來幫你做這個實驗。外因是貓的性情恰到好處,如果你不用貓,而找一條狗來做這個實驗,會有什麼樣的結果呀?把狗關在盒子裡,狗「汪汪……」叫了半天忽然不叫了。完了,你知道這個狗死了。所以說,你根本沒有後面打開盒子的必要了。狗實在太吵了,那找一個更安靜的呢,比如找一隻烏龜?
烏龜進到盒子裡以後,小脖一縮,縮到殼子裡了。你做完實驗,打開盒子的時候,看見這個烏龜縮到殼子裡,你知道它是一個死烏龜,還是一個活烏龜啊?最後還是不知道,所以也不合適。
沒辦法,只能委屈貓來做這個實驗。那麼現在的問題是:這隻貓到底是死貓呢,還是活貓呢,還是死貓活貓的疊加態呢?在薛丁格的時代,薛丁格不知道這個問題的答案。但是時間發展到了現代,其實我們已經可以知道這個問題的答案了。答案就是:死貓。因為這隻貓就算沒被毒藥毒死,這麼多年過去,肯定也老死了。
當然了,作為物理學工作者,我們想知道的不僅是這個答案,我們還想知道,在薛丁格的那個時候,在做實驗的那個時候,這隻貓到底是什麼時候處於死貓和活貓的疊加態?甚至說,有沒有曾經處於過這樣的狀態?然後,又是什麼時候變成了真正的死貓或活貓呢?
這個問題就非常困難了。雖然關於量子力學的測量過程,我們有一套計算的程序,但是怎麼理解量子力學的這套計算程序呢,不同的學派具有不同的解釋。不同的解釋裡,對於這隻貓什麼時候從死貓和活貓的疊加態變成死貓或活貓,有不同的說法。
在這裡,我就兩種解釋與大家討論一下。第一種解釋就是量子力學所謂的正統——哥本哈根解釋。哥本哈根對量子力學是這樣解釋的:Shut up and Calculate,翻譯成中文就是「別問,問就是算」。就是說,一些我們可以計算的問題,我們就去計算,看結果是什麼;一些我們沒有辦法計算的問題,可能根本就沒有一個物理實在存在,我們就沒有這樣的問題好問。
當然了,我們總是好奇的。我們不知道有沒有這樣一個物理存在的時候,便希望腦補一個物理存在。哥本哈根解釋並沒有滿足我們的好奇心,還有很多其他的學派提出了其他的解釋,比如著名的多世界解釋。多世界解釋認為,當進行了一個測量的時候,這個世界就分岔了,這個世界就變成了一個活貓的宇宙和一個死貓的宇宙所組成的平行宇宙。不僅如此,每一次有效的測量,這個世界都在分叉,最後分成了近乎無窮多個平行宇宙。當然了,這只是量子力學的一種解釋而已,至於平行宇宙到底是不是真的存在,現在我們還不知道。
薛丁格貓的實驗演繹到今天,已經有了非常非常多個版本,甚至還有一些經典的版本,跟量子力學無關的版本,比如,網上有一個版本叫薛丁格的「滾」——有一天,你終於鼓足了勇氣去向你的女神表白。女神只說了一個字:滾!這個時候你應該怎麼辦?
好,最後我們總結一下。薛丁格的貓告訴我們什麼呢?首先,在量子力學裡,一切都可以疊加,所以說原則上講,是有可能存在這樣死貓和活貓的疊加態的。但是,在我們真正做一個實驗,用一個毒藥盒子去毒死這隻貓的時候,貓會不會處於死貓和活貓的疊加態呢?如果會處於這樣一個狀態,那麼什麼時候處於這樣狀態,什麼時候從這個狀態真正的變成死貓還是活貓呢?雖然量子力學有一個統一的計算規則,但是,這涉及了量子力學的解釋問題。不同的學派有不同的解釋,比如說,有哥本哈根學派、有多世界,甚至有精神和物質相互作用,有多歷史、自洽歷史等等各種不同解釋。