新浪尚文

　　当薛定谔的猫被关在密闭的盒子里，我们是否可以在不破坏盒子的情况下探听到里面的情况，并且不破坏里面极为脆弱的叠加态？科学家们一直在做这样的尝试。

　　量子力学算得上是人类历史上最值得信赖的理论之一。从1900年普朗克提出量子化假说开始，如爱因斯坦、维尔纳·海森堡、欧文·薛定谔、尼尔斯·玻尔……数不清的大科学家的名字与这个理论联结在一起。量子理论不仅精确描述了在微观领域中粒子的行为，也为人们展示了一个与宏观世界截然不同的光怪陆离的世界。可是在量子力学的发展历史中，最鲜明的也最为大众所熟知的形象却不是哪一个科学家，而是一只假想出来的猫。这只恼人的猫一直在量子物理学家们的眼前晃来晃去，使科学家们不得不对自己的理论反复思索，这就是人们常常提到的“薛定谔的猫”(Schrödinger's Cat)。

　　100多年来量子力学的发展不停改变着人们的旧有观念，揭示了许多令前人吃惊的现象：德国物理学家马克斯·普朗克首先提出假说，原子只能在固有的频率上振动，否则物体将可以辐射出无穷的能量(即所谓的“紫外灾难”)。通过爱因斯坦和路易·德布罗意的工作，人们认识到在微观状态下，粒子呈现出波粒二象性(Wave-particle Duality)，而当人们去观测时，粒子呈现出波或是粒子的性质，取决于人们用什么手段去观测粒子。更奇特的是“不确定性原理”(Uncertainty Principle)，就像罗大佑唱的：“丢一个铜板轻轻地盖着猜猜她爱我不爱，那是我所不能了解的事……”海森堡的“不确定性原理”告诉人们，我们无法通过测量而精确得到一个微观粒子的位置和动量，不确定性原理并不是给出人们测量粒子位置精度的极限，而是重新定义了“位置”这个概念在物理学中的意义(超出测量最大精度的“位置”是没有意义的)。

　　如果说上面这几个概念人们还可以勉强接受的话，“薛定谔的猫”则至今仍然让科学家们感到不解。1935年，在爱因斯坦的启发下，著名的奥地利物理学家欧文·薛定谔提出了一个假想实验。他设想出一种荒谬的情形，一只猫被放进一个密封的盒子里，盒子里同时还有其他一些东西(必须保证这只猫碰不到这些东西)：一个装有毒药的探测器和一丁点放射性物质，放射性物质因为量很少，每小时有50%的概率会有一个原子发生衰变，还有50%的概率没有原子发生衰变。如果有原子发生衰变，将会被探测器探测到，探测器就会放出毒药毒死薛定谔的猫；如果没有原子发生衰变，薛定谔的猫就会幸运地活下来。但是问题在于，在一个小时的时间内，人们并不知道密封的盒子里是否有原子发生了衰变，只有在一小时之后打开盒子进行观察测量才能知道。根据量子力学的正统学说，哥本哈根学派的解释，只有通过测量才能得到微观世界的状态，而追问在测量之前的系统是否处于这个状态，正如想知道一个粒子的“精确位置”一样，是“没有意义”的。在人们打开这个密封的盒子对盒子内部进行测量前，放射性物质处于衰变与没有衰变的“叠加态”(Superposition)，这也是量子世界的特征之一。于是，这只薛定谔的猫也因此处于又死又活的“叠加态”，微观领域和宏观领域的状态就这样被联系在了一起。

　　一个微观粒子在未被测量的时候也处于叠加态，它可以同时处在多个位置，这种状态是由粒子的波函数(Wave Function)来描述的。当人们去测量这个粒子时，粒子的波函数发生塌缩(Collapse)，这样粒子对于测量者呈现出来的是只处于其中的一个位置(同样，在量子力学的解释中，追问这个粒子在测量之前处于什么位置是没有意义的)。薛定谔通过一个假想实验巧妙地揭示了量子力学的解释中某些令人感到牵强的地方：如果说在微观世界，上帝完全是在掷骰子，一切都只能用波函数描述的概率来解释的话，那么与此直接相连的宏观物体又该呈现出什么样的状态呢？这只在理论上同时又死又活的薛定谔的猫在科学家们的眼前晃来晃去，让科学家们感到又尴尬又恼火。

　　一方面量子力学在经历了100多年的发展之后，我们仍然无法完全理解它，另一方面，它又显示出强大的力量。在微观世界中量子力学无往不胜，人们用它预测粒子间的相互作用，分析材料的性能，甚至用它来计算分子的形状，至今尚没有任何一个实验结果与它的描述相悖。它的数学形式也是如此优美，让科学家看不到有任何修改它的必要。但是从没有任何人，包括被称为量子力学“教父”的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔，告诉过人们，如何去理解量子力学——你只需要去接受它。量子力学具有简单优美的数学形式，但是这并不足以打消人们的疑问，因为在公式中并没有告诉人们，对于微观系统进行测量时，波函数是如何发生的塌缩？微观物体是在什么时候呈现出我们可以理解的经典形式？一个粒子是怎么样“知道”自己什么时候被测量？为什么一个测量会改变粒子的行为？为什么我们从来都看不到一个粒子同时处在两个地方？量子力学就是这样令人信赖却又充满悖论。大多数科学家都采取了实用主义者的态度，就像是康奈尔大学的物理学家大卫·默明(David Mermin)说的，“闭上嘴去做计算”。

　　多数科学家认为除了量子力学的描述之外并没有更深层次的真实，在微观领域没有比概率更加基础和确定的事情。尽管有些激进的物理学家认为同时处于又死又活的状态也没什么大不了的，但薛定谔的猫仍然让大多数的物理学家感到心烦意乱。一只又死又活的猫到底是什么样？在宏观领域到底可不可能出现叠加态？为什么在微观领域和宏观领域看上去我们有两套物理法则？量子力学描述我们只有通过测量才可以使概率变为确定，那么这种由概率到确定的转变到底是如何发生的？波函数的塌缩这种描述对于科学家们来讲更像是一种比喻而非实质，而实质又究竟是什么呢？苦思冥想之际，科学家们仿佛真的可以看到一只猫摇着尾巴在他们面前走来走去，不时冲着焦头烂额的科学家们嘲笑几声。难怪史蒂芬·霍金教授说：“我一听到薛定谔的猫，我就去拿我的枪。”

　　波函数的塌缩正是我们的宏观世界看上去表现得与微观世界不一样的主要原因，科学家们认为量子物体与周围环境发生相互作用就是一次“测量”，这种测量使得量子叠加态变成了确定的状态，发生了“退相干”(Decoherence)，因此宏观物体没有表现出明显的量子效应是因为宏观物体包含太多的粒子，这些粒子无时无刻不在与外界环境发生作用(因此一只猫才不能又死又活)。牛津大学的物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)相信波函数的塌缩是一种真实的物理现象，他认为，人们现在之所以对于粒子的波函数塌缩理解得不够全面，是因为引力还没有被引入到量子力学，通过进一步地理解引力就可以理解波函数塌缩的细节。1979年诺贝尔物理奖得主史蒂芬·温伯格(Steven Weinberg)却认为，至今我们也没有一个令人满意的量子力学，他说：“像其他很多物理学家一样，在工作中我只是使用量子力学，却一直忽略量子力学的意义以及其中更深层次的疑问，但是我仍然认为我应该试图去理解。”多年来他一直在修正量子力学理论，在他的新量子力学中使粒子的波函数发生塌缩并不需要一个额外的观察者，而是成为一种自发现象，只不过是在被测量的时候，粒子与测量仪器的粒子发生量子纠缠而更容易引起塌缩。他的理论因为同时也融合了相对论，也就更令人感到期待。

　　量子世界的叠加态究竟能在多大程度上对宏观世界产生影响？这个问题的答案很大程度上可能仍然藏在薛定谔的猫身上。当薛定谔的猫被关在密闭的盒子里，我们是否可以在不破坏盒子的情况下探听到里面的情况，并且不破坏里面极为脆弱的叠加态？科学家们一直在做这样的尝试。2010年，几个科学家让一个40微米长的压电材料同时处于收缩和伸展的两种叠加态中，可是当他们试图去观察这两种状态时却破坏了这种叠加态而遭到失败。马萨诸塞大学的物理学家库尔特·雅各布斯(Kurt Jacobs)提出了一种新的方法来窥探“盒子里的猫”：首先使一个几十微米的细丝同时处于向两个相反方向震动的叠加态，之后在这根细丝上注入一点电荷，电荷随着震动将会形成一个变化的电磁场，而这个电磁场将会被盒子外面的传感器接收到。通过这种方法，理论上可以在不破坏密闭盒子内部相干性(Coherence)的基础上探测到里面宏观物体的一些状态。雅各布斯在一篇论文中描述了这个实验的构想，但他需要更多的时间去实现。

　　这只被困在盒子里面的薛定谔的猫，几十年来也把量子物理学家们困在了思维的盒子里面，无数科学家总是耐不住好奇心，不甘于闭上嘴巴埋头计算，想要看一看薛定谔的猫在盒子里面究竟是什么样子，也许这里面就藏着量子力学最深刻的秘密。在微观领域里上帝是不是在掷骰子，物质的真实究竟是什么，也许有一天这只薛定谔的猫可以给我们答案。■

　　【本文参考了Philip Ball的文章《对薛定谔的猫的新探索》(New Persuit of Schrödinger's Cat)】