攪亂物理疆界的貓和鹽

    牛頓的經典物理學在相對論和量子論的打擊下，控制的物理學疆域已經不多了。但即便如此，量子論似乎仍「宜將剩勇追窮寇」，對經典物理學的疆域繼續攻擊著。

「半壁江山」還是「一統江山」？

相對論和量子論是現代物理學的兩大基石。這兩位「兄弟」在二十世紀初聯手造反，對幾百年來佔統治地位的牛頓的經典物理學疆域發起了進攻。結果，牛頓的經典物理學一方面成了相對論在速度比光速低得多情況下的近似；另一方面又成了量子論在描述宏觀行為時的一種近似。從原先的統治「寶座」上跌落下來，經典物理學想必很受委屈吧。

不過，更大的委屈還在後頭呢！

按一般教科書的說法，量子論是統治微觀世界的法則：物體都是由微觀世界的量子構成的，在量子的世界裡，存在著不確定性，比如一個量子出現在某個位置是不確定的，我們只能說，它出現在此處的概率是多少，出現在彼處的概率又是多少。

量子論能描述粒子、原子和分子的行為，但在面對籃球、人或者月亮這樣的宏觀物體時，就要讓位給經典物理學了，因為在宏觀世界裡，我們很難觀察到量子效應。於是，在奇異的量子世界和我們所熟悉的、經典物理學描述的世界之間，似乎劃了一條不可逾越的鴻溝。這樣一來，經典物理學似乎還維持著「半壁江山」。

但從理論上講，既然經典物理學只是量子論的近似，量子論自然應該延伸至經典物理學的半壁江山，也就是說，整個世界本質上應該都是「量子的」。可為什麼在宏觀世界很難觀察到量子效應呢？為什麼量子論不能用於解釋宏觀世界呢？

一隻既活又死的貓

不是沒人想過讓量子論一統天下，只是量子論一旦跟宏觀世界聯繫起來，荒唐的事情就發生了。

    讓我們先去探訪一隻貓。這是一隻可憐的貓。它被密封在一個箱子裡，箱子裡除了食物，還有一個毒氣瓶。毒氣瓶上方有一把錘子，錘子由電開關控制，而電開關又由一個放射性原子控制。如果這個原子核衰變，放出α粒子，就觸動電開關，錘子落下，砸碎毒氣瓶，釋放出毒氣，此貓就必死無疑。

按照量子論的看法，一個放射性原子，它何時衰變是完全不確定的，所以，當我們沒去測量它時，只能知道它衰變的概率，比如說今天它衰變的概率是40%，那也就是說還有60%的概率它今天不衰變。所以在沒測量時，它事實上處於衰變和不衰變的混合狀態，只有當測量時，它才選擇一種確定的狀態：要麼衰變了，要麼沒衰變。

一個粒子你不去測量它，它竟然可以同時處於衰變和不衰變這兩種截然對立的狀態中，這正是量子論有別於經典物理學的弔詭的結論之一。類似的結論還有，一個粒子當我們沒去測量時，它可以同時處於空間的不同位置……等等。

不過在我們熟悉的世界裡，可不會出現這類荒謬的事情。試問，你見過一個物體同時存在又不存在嗎？在同一時刻，既在這個房間又在隔壁房間嗎？……所以，對於古怪的粒子行為，一般人的態度是，讓微觀世界的那些粒子們玩出各種「駭人聽聞」的時髦花樣去吧，只要我們生活其中的世界不發生此類事情就夠了。

但是奧地利物理學家薛丁格偏要讓我們不得安生，他煞費苦心把量子世界跟這隻無辜的貓聯繫了起來（由此，這隻貓得了個「薛丁格貓」的名字）。按他的看法，只要我們不去觀察，由於原子的狀態是不確定的，而貓的生死又取決於原子的狀態，所以連貓的生死狀態也不確定了；由於原子可以同時處於衰變和不衰變的混合狀態，所以連貓也處於生與死的混合狀態了。一隻貓同時既是活的，又是死的，有比這更荒謬的事情嗎？

量子論的「魔爪」一旦伸進了宏觀世界，會引出多麼荒謬的結論啊！

把「薛丁格貓」隔離開來

為了把這些荒謬的結論解釋清楚，一代又一代物理學家想盡了辦法。

比如1980年代，牛津大學的物理學家羅傑·彭羅斯提出，在質量超過20毫克的體系中，引力的作用可能導致量子論拱手讓給經典物理學；後來一群義大利物理學家又提出，大量粒子會自動表現出經典物理學所預言的行為來。總之，他們採用的還是老辦法，就是繼續在量子世界和宏觀世界之間劃一條疆界，不讓量子世界的「魔鬼」跑到宏觀世界去搗亂。

讓我們來聽聽他們對於薛丁格貓有何高見。

如果這是一隻「量子貓」，那麼毫無疑問它要遵守量子世界的法則，也就是說，它可以同時處於既生又死的狀態；但現在這是一隻宏觀的貓，量子法則在它身上失效了，所以即便我們沒去觀察，它也只能生與死必取其一，只是沒做觀察，就不能確切知道它屬於哪種情況而已，並不意味著它處於生死混合狀態。

其實這種觀點也正是我們在日常生活中所秉持的觀點，比如說一個人失蹤了，我們肯定會認為這個人要麼活著，要麼死了，兩者必取其一，只是我們一時還不知道他到底屬於何種情況而已，但沒人會說，失蹤的人處於既生又死的「混合狀態」。

他們這麼解釋，似乎也行得通，甚至更符合我們的思維習慣。不過很不幸，他們劃出了疆界，想把那隻討厭的貓控制住，卻不成想天上掉下一塊「鹽」來，又一次攪亂了物理學的疆界。

鹽攪亂了疆界

量子論裡有個很古怪的現象，叫做量子糾纏：假設一個粒子衰變出一對正反粒子，由於動量守恆，衰變之後正反粒子朝著相反的方向運動，最後它們相隔數十光年。但即使相距如此遙遠，兩者之間還是存在一種神秘的、不受距離影響的作用。比如說當其中一個被改變狀態時，另一個也會即刻做出反應，調整自己的狀態。按理說它們相距數十光年，一個粒子哪怕以宇宙間最快的速度——光速「通知」另一個粒子，至少也需要數十年時間。詭異的是，另一個粒子好像不需要時間，即刻就可以做出反應。

這種鬼魅似的量子糾纏現象，在量子領域人們早已經司空見慣。目前，科學家已經能夠讓兩個相距16千米的粒子保持量子糾纏，不過，之前的實驗中量子糾纏只發生在微觀體系中，發生糾纏的粒子最多也不過十來個，而現在，我們所說的「鹽」登場了，科學家在一大塊氟化鋰鹽裡都觀察到了量子糾纏，參與的粒子竟達10²⁰個之多！

實驗是這樣的：在接近絕對零度的低溫下，將一小塊氟化鋰鹽放進磁場中；我們可以把氟化鋰鹽中的原子想像成一個個小磁針，外加一個磁場，這些「磁針」都傾向於沿著外磁場的方向平行排列。這個過程被稱為磁化。根據經典物理學，原子之間存在相互作用，它們就像一個服從紀律的團隊一樣行動，紀律促使它們更快地向外磁場「屈服」。

科學家測量了原子趨向外磁場的反應速度。他們發現，氟化鋰鹽原子對外磁場做出反應的速度之快，遠非經典的原子之間的相互作用所能解釋，而一旦把量子糾纏考慮進來，理論和實驗就符合得很完美。

為什麼的？原因可能是，在量子糾纏的作用下，原子的「紀律性」進一步加強了，所以向外磁場「屈服」的速度也更快了。這塊鹽裡包含大約10²⁰個原子，這就是說，整整10²⁰個原子都參與了量子糾纏！

這個實驗結果等於是在經典物理學的「傷口」上加了一把鹽。因為既然宏觀物體都能表現出量子效應，那麼在量子世界和經典物理學世界之間人為地劃條鴻溝就沒有根據了。至於那隻「薛丁格貓」，還真可能處於既生又死的狀態。

這樣一來，物理學家未來的任務可艱巨了。既然量子規律既控制了微觀世界，也控制了宏觀世界，那麼他們如何解釋「一隻貓既死又活」的荒謬呢？

本文源自大科技〈科學之謎〉 雜誌文章 歡迎您關注大科技公眾號：hdkj1997