薛定谔的猫和量子自杀

薛定谔的猫和量子自杀

赵梦晗

究竟是必然还是偶然决定了宇宙的命运？或者说：上帝玩色子吗？这个是量子力学和相对论最大的争议。量子力学主张：世界是由不确定的、随机的事件决定，这个不确定（后者叫波动）其实就是辩证法主张的矛盾运作；而相对论则认为：世界应该是由固定的、机械的规律统治，任何看似偶然的事件背后，其实都有必然在支撑。 　　

两大学派最激烈的争论，可能与“薛定谔的猫”有关。这个实验是这样的： 　　

薛定谔在1935年发表了一篇论文，题为《量子力学的现状》,在论文的第5节，薛定谔描述了那个常被视为恶梦的猫实验:哥本哈根派说，没有测量之前，一个粒子的状态模糊不清，处于各种可能性的混合叠加.比如一个放射性原子，它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察，它便处于衰变/不衰变的叠加状态中，只有确实地测量了，它才随机选择一种状态而出现。那么让我们把这个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态。现在薛定谔想象了一种结构巧妙的精密装置，每当原子衰变而放出一个中子，它就激发一连串连锁反应，最终结果是打破箱子里的一个毒气瓶，而同时在箱子里的还有一只可怜的猫。事情很明显：如果原子衰变了，那么毒气瓶就被打破，猫就被毒死。要是原子没有衰变，那么猫就好好地活着。 　　

原子核的衰变是随机事件，物理学家所能精确知道的只是半衰期——衰变一半所需要的时间。如果一种放射性元素的半衰期是一天，则过一天，该元素就少了一半，再过一天，就少了剩下的一半。但是，物理学家却无法知道，它在什么时候衰变，上午，还是下午。当然，物理学家知道它在上午或下午衰变的几率——也就是雌猫在上午或者下午死亡的几率。 　　

    如果我们不揭开密室的盖子，根据我们在日常生活中的经验，可以认定，雌猫或者死，或者活。这是她的两种本征态。但是，如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫，则只能说，她处于一种活与不活的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切地知道雌猫是死是活。此时，猫的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。 　　

    量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道雌猫是死是活，她将永远到处于半死不活的叠加态。这与我们的日常经验严重相违，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活？ 　　

    薛定谔挖苦说：按照量子力学的解释，箱中之猫处于“死－活叠加态”——既死了又活着！要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。（请注意！不是发现而是决定，仅仅看一眼就足以致命！）正像哈姆雷特王子所说：“是死，还是活，这可真是一个问题。”只有当你打开盒子的时候，迭加态突然结束（在数学术语就是“坍缩（collapse）”），哈姆雷特王子的犹豫才终于结束，我们知道了猫的确定态：死，或者活。哥本哈根的几率诠释的优点是：只出现一个结果，这与我们观测到的结果相符合。 　　

    但是有一个大的问题：它要求波函数突然坍缩。但物理学中没有一个公式能够描述这种坍缩。尽管如此，长期以来物理学家们出于实用主义的考虑，还是接受了哥本哈根的诠释。付出的代价是：违反了薛定谔方程。这就难怪薛定谔一直耿耿于怀了。   　　

问题出来了：为什么“打开箱子”会使得波函数发生坍缩？难道是“打开箱子”这个动作引起的波函数变化影响到了原来的二重叠加？还是我们压根就不可能观测到叠加现象？ 　　

如果是后者，那么有一个现象是我们必须了解的：我们所看到的一切景象，其实都是波函数的叠加状态。好比一个和量子力学不沾边，但是有很贴切的例子：我们的眼睛，看到的都是立体的景象，其实就是两眼看到的平面在脑海中叠加的产物。如果你把食指放在鼻梁上，然后缓慢的向前移动，你会看到：明明是一根食指，却变成了两根。随着食指离鼻梁越来越远，“两个食指”逐渐归于一根。这个现象就是叠加，你完全能够观测到。 　　

那看来原因好像就是前者。实际上，科学家也确实成功的观测到了薛定谔猫态： 　　

美国科学家宣布，他们成功让６个铍离子系统实现了自旋方向完全相反的宏观量子叠加态，也就是量子力学理论中的“薛定谔猫”态。 　　

　　根据量子力学理论，物质在微观尺度上存在两种完全相反状态并存的奇特状况，这被称为有效的相干叠加态。由大量微观粒子组成的宏观世界是否也遵循量子叠加原理？奥地利物理学家薛定谔为此在１９３５年提出著名的“薛定谔猫”佯谬。 　　

　　“薛定谔猫”佯谬假设了这样一种情况：将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。 　　

　　显然，既死又活的猫是荒谬的。薛定谔想要借此阐述的物理问题是：宏观世界是否也遵从适用于微观尺度的量子叠加原理。“薛定谔猫”佯谬巧妙地把微观放射源和宏观的猫联系起来，旨在否定宏观世界存在量子叠加态。然而随着量子力学的发展，科学家已先后通过各种方案获得了宏观量子叠加态。此前，科学家最多使４个离子或５个光子达到“薛定谔猫”态。但如何使更多粒子构成的系统达到这种状态并保存更长时间，已成为实验物理学的一大挑战。 　　

　　美国国家标准和技术研究所的莱布弗里特等人在最新一期《自然》杂志上称，他们已实现拥有粒子较多而且持续时间最长的“薛定谔猫”态。实验中，研究人员将铍离子每隔若干微米“固定”在电磁场阱中，然后用激光使铍离子冷却到接近绝对零度，并分三步操纵这些离子的运动。为了让尽可能多的粒子在尽可能长的时间里实现“薛定谔猫”态，研究人员一方面提高激光的冷却效率，另一方面使电磁场阱尽可能多地吸收离子振动发出的热量。最终，他们使６个铍离子在５０微秒内同时顺时针自旋和逆时针自旋，实现了两种相反量子态的等量叠加纠缠，也就是“薛定谔猫”态。 　　

　　奥地利因斯布鲁克大学的研究人员也在同期《自然》杂志上报告说，他们在８个离子的系统中实现了“薛定谔猫”态，但维持时间稍短。 　　

　　科学家称，“薛定谔猫”态不仅具有理论研究意义，也有实际应用的潜力。比如，多粒子的“薛定谔猫”态系统可以作为未来高容错量子计算机的核心部件，也可以用来制造极其灵敏的传感器以及原子钟、干涉仪等精密测量装备。 　　

关于薛定谔的猫，包括爱因斯坦在内的许多非主流科学家是持怀疑态度的，他们认为：这个原因是由“平行宇宙”（MWI）造成的，即： 当我们向盒子里看时，整个世界分裂成它自己的两个版本。这两个版本在其余的各个方面都是全同的。唯一的区别在于其中一个版本中，原子衰变了，猫死了；而在另一个版本中，原子没有衰变，猫还活着。在量子的多世界中，我们通过参与而选择出自己的道路。在我们生活的这个世界上，没有隐变量，上帝不会掷骰子，一切都是真实的。 　　

这个观点还有更骇人听闻的假设：量子自杀。 　　

在 量子力学 里, 量子自杀是想法实验，这令人毛骨悚然和啼笑皆非的实验在80年代末由Hans Moravec，Bruno Marchal等人提出，而又在1998年为宇宙学家Max Tegmark针对 哥本哈根 “波函数坍缩”中的“意识怪兽”，在那篇广为人知的宣传 MWI 的论文中所发展和重提。Max Tegmark认为宇宙有多个， 量子 的不确定性被分配到各个 宇宙 去，只要从主观视角来看，不但一个人永远无法完成 自杀 ，事实上他一旦开始存在，就永远不会消失！总存在着一些量子效应，使得一个人不会衰老，而按照MWI，这些非常低的概率总是对应于某个实际的世界！ 　　

量子自杀实验 　　

   在一套设备里，利用原子衰变来控制扣动一把枪的扳机，我们就可以观测当一个人被打死了（如果衰变-->开枪）或者没有(没有衰变)。他迟早被打死，因为随着原子衰变概率的增加，枪的扳机迟早会扣动。但对当事人本身的角度来说完全不是这样。因为对他唯一有意义的就是“那些他活着的世界”。永远都会有一个他活在某个世界！如果平行宇宙理论是正确的，那么对于某人来说，他无论如何试图去自杀都不会死！要是他拿刀抹脖子，那么因为组成刀的是一群符合 波动方程 的 粒子 ，所以总有一个非常非常小的可能性，以某种方式丝毫无损地穿透了该人的脖子，从而保持该人不死！当然这个概率极小极小，但按照MWI，一切可能发生的都实际发生了，所以这个现象总会发生在某个宇宙！其实不管换什么方式自杀都一样，跳楼也好，卧轨也好，上吊也好，总存在那么一些宇宙，让他还活着。从该人自身的视角来看，他怎么死都死不掉！当然在其他无穷个宇宙里，他的亲朋好友却要为他哀悼了。这实际上也是薛定谔猫的一个真人版。大家知道在猫实验里，如果原子衰变，猫就被毒死，反之则存活。对此，哥本哈根派的解释是：在我们没有观测它之前，猫是“又死又活”的，而观测后猫的波函数发生坍缩，猫要么死要么活。MWI则声称：每次实验必定同时产生一只活猫和一只死猫，只不过它们存在于两个平行的世界中。 　　

这样一来，薛定谔的猫也不必再为死活问题困扰。只不过是宇宙分裂成了两个，一个有活猫，一个有死猫罢了。对于那个活猫的宇宙，猫是一直活着的，不存在死活叠加的问题。对于死猫的宇宙，猫在分裂的那一刻就实实在在地死了，不要等人们打开箱子才“坍缩”，从而盖棺定论。  　　

从宇宙诞生以来，已经进行过无数次这样的分裂，它的数量以几何级数增长，很快趋于无穷。我们现在处于的这个宇宙只不过是其中的一个，在它之外，还有非常多的其他的宇宙。有些和我们很接近，那是在家谱树上最近刚刚分离出来的，而那些从遥远的古代就同我们分道扬镳的宇宙则可能非常不同。也许在某个宇宙中，小行星并未撞击地球，恐龙仍是世界主宰。在某个宇宙中，埃及艳后克娄帕特拉的鼻子稍短了一点，没有教恺撒和安东尼怦然心动。那些反对历史决定论的“鼻子派历史学家”一定会对后来的发展大感兴趣，看看是不是真的存在历史蝴蝶效应。在某个宇宙中，格鲁希没有在滑铁卢迟到，而希特勒没有在敦刻尔克前下达停止进攻的命令。而在更多的宇宙里，因为物理常数的不适合，根本就没有生命和行星的存在。 　　

似乎这个结论是可以将整个量子力学和相对论联系起来，或者说，是用相对论取代了量子力学。但是，请注意：平行宇宙的保留了矛盾的对立性（同一个宇宙的猫不会有生死叠加）却肢解了矛盾的统一性（使得矛盾双方位于两个不同的宇宙），辩证法的根本规律似乎要被否定了？ 　　

且慢！仔细考虑一下：每一个电子的跳跃，每一个光子的衍射，我在键盘上敲打的每一个字符，都可以创造一个宇宙？那么，自大爆炸以来，究竟有多少个宇宙被创造出来了？宇宙的数量每秒钟都在以骇人听闻的速度增长？这个理论似乎是要为了解释一个小小的电子的衍射而兴师动众的创造一个庞大的宇宙呀！也没有任何证据能够证明这个理论，我们从来没有发现我们拥有能够创造宇宙的能力。 　　

其实，我在前文早就说了，薛定谔的猫状态已经被实验证实了，是能够观测到的。薛定谔当年犯了一个错误：纯观测对于实验的结果其实应该是没有影响的。如果我们不打开这个箱子，而是用红外摄像机记录箱子里面的情况，我们在电视屏幕上看到的小猫可能真的就想我们用食指做的实验那样，存在一个令人做恶梦的“叠加状态”！这也解释了为什么科学家能够实现自旋方向完全相反的宏观量子叠加态。 　　

看来，唯物辩证法被推翻的的忧虑暂时是可以放下了，也许在不久的将来，随着以量子力学为基础的大一统理论确立（最可能的是弦论），辩证法也会被提高到一个史无前例的高峰。而建立在辩证法之上的理论，也就有了稳固的根基，而这正是我们研究哲学和物理的根本目的。