S1EP17 薛丁格的貓

什麼是薛丁格貓？這要從頭說起。薛丁格（E.Schr dinger ，1887—1961）是奧地利著名物理學家、量子力學的創始人之一，曾獲1933年諾貝爾物理學獎，薛丁格貓是他在1935年提出的關於量子力學的一個佯謬[2]。這些年來許多物理學家絞盡腦汁，試圖解開這個佯謬。直到最近經過一系列精巧的實驗，這個問題才逐漸有了眉目。2000年7月，《自然》報導了最新的實驗結果。


量子力學是描述原子、電子等微觀粒子的理論，它所揭示的微觀規律與日常生活中看到的宏觀規律很不一樣。處於所謂「疊加態」的微觀粒子之狀態是不確定的。例如，電子可以同時位於幾個不同的地點，直到被觀察測量（觀測）時，才在某處出現。這種事如果發生在宏觀世界的日常生活中，就好比：我在家中何處是不確定的，你看我一眼，我就突然現身於某處——客廳、餐廳、廚房、書房或臥室都有可能；在你看我之前，我像雲霧般隱身在家中，穿牆透壁到處遊蕩。這種「魔術」別說常人認為荒謬，物理學家如薛丁格也想不通。於是薛丁格就編出了這個佯謬，以引起注意。果不其然！物理學家爭論至今。


薛丁格貓佯謬是一個設計巧妙的理想實驗：將一隻貓關在箱子裡，箱內還置有一小塊鈾、一個盛有毒氣的玻璃瓶，以及一套受檢測器控制的、由錘子構成的執行機構。鈾是不穩定的元素，衰變時放出射線觸發檢測器，驅動錘子擊碎玻璃瓶，釋放出毒氣將貓毒死。鈾未衰變前，毒氣未放出，貓是活的。鈾原子在何時衰變是不確定的，所以它處於疊加態。薛丁格挖苦說：在箱子未打開進行觀測前，按照量子力學的解釋，箱中之貓處於「死－活疊加態」——既死了又活著！要等有人打開箱子看一眼才能決定貓的生死。這個理想實驗的巧妙之處，在於通過「檢測器－錘子－毒藥瓶」這條因果鏈，似乎將鈾原子的「衰變－未衰變疊加態」與貓的「死－活疊加態」聯繫在一起，使量子力學的微觀不確定性變為宏觀不確定性；微觀的混沌變為宏觀的荒謬——貓要嘛死了，要嘛活著，兩者必居其一，不可能同時既死又活！難怪英國著名科學家霍金聽到薛丁格貓佯謬時說：「我去拿槍來把貓打死！」


薛丁格貓佯謬實際上提出了一個十分重要的問題：什麼是量子力學的觀測？觀察或測量都與人的主觀有關，而人在箱外，所以必須打開箱子才能決定貓的死活。誰都知道箱中貓的死活是由鈾的衰變決定的——衰變前貓是活的，衰變後貓就死了，這與是否有人打開箱子進行觀察毫不相干。所以毛病出在觀測的主觀性上，應該朝這個方向尋根究底。


微觀的觀測與宏觀的觀測有所不同。宏觀的觀測對被觀測對象沒有什麼影響。俗話說：「看一眼總行吧。」意思是對所看之物並無影響，用不著擔心。微觀的觀測對被觀測對像有影響，會引起變化。以觀測電子為例，要用光照才能看見，光的最小單位光子的能量雖小但不是零，光子照到被觀測的電子上，對電子的影響很大。所以，在微觀世界中看一眼也會惹禍！


量子力學認為，觀測的結果使得被觀測對象的狀態改變了：一個確定態從原先不確定的疊加態中蹦了出來。再追究下去，觀測無非是觀測手段（如光子）與被觀測對象（如電子）之間的一種相互作用，這種相互作用並不一定與觀測者聯繫起來，後者可以用檢測器之類的儀器代替。經過幾十年的探索，物理學家終於認識到：在由疊加態到確定態的轉變中，觀測曾經扮演的角色應該以相互作用來代替，這樣不僅更普遍而且更客觀。具體到薛丁格貓佯謬，就能將人的主觀因素完全排除——貓的死活不是由人開箱看貓一眼所決定的。


但是，箱中貓的「死－活疊加態」究竟是怎麼一回事呢

物理學是實驗科學，一切要由實驗來判定。較早的一批關於「薛丁格貓」的實驗[3,4]是將處於疊加態的單個原子或分子從周圍環境中孤立起來，然後以可控制的方法使之相互作用，以觀察其變化。結果發現，關鍵在於環境的相互作用，它導致原先的量子疊加態轉變為經典的確定態。但是將這些實驗對像當作薛丁格貓是一種極度的簡化，單個原子或分子與薛丁格貓相去何止十萬八千里。


這次《自然》報導的實驗[5]與上述那些實驗不同。紐約州立大學石溪分校弗里德曼（J. R. Friedman）等人拿來做實驗的「薛丁格貓」不是單個粒子，而是在接近絕對零度的超導體環形電路中由幾十億對電子構成的超導流。實驗證明，這種由大量粒子構成的宏觀量子系統也可以處於疊加態——相當於薛丁格貓的「死－活疊加態」。幾十億對電子構成的超導流當然還不能與幾億億億個原子構成的貓相比，但較之單個原子分子畢竟前進了一大步。所以有人驚呼：「薛丁格貓變胖了！」


下一步是否拿一隻真的貓來做實驗呢？不可能！首先是無法將之與周圍環境隔離——置於真空中的貓馬上會死掉。其次，與接近絕對零度的超導流不同，常溫下的貓根本不是宏觀量子系統，何來疊加態？而且也沒有必要做這樣的實驗，物理學家根據現有的實驗結果，對薛丁格貓為什麼不可能有「死－活疊加態」已能作出符合量子力學的解釋。


讀者會說：「不就是一隻想像的貓嗎，讓霍金開槍打死不就完了。」事情並非那麼簡單，否則許多物理學大師就不會那麼孜孜以求了。薛丁格貓佯謬衍生出更深刻的問題：大量原子、分子所構成的生物與這些微觀粒子遵從的量子力學規律之間的關係究竟是什麼？這不僅是重要的理論問題，而且具有實際意義。例如，自我意識的機制至今仍然是未解之謎，有人認為可能與量子力學或者更深層次的微觀規律有關。再如思維過程中的「頓悟」，會不會與前述之「一個確定態就從原先不確定的疊加態中蹦了出來」有關呢？可能有關的還有：生命的起源、物種的變異、光合作用的機制……如此等等。總之，生命的秘密和思維的奧妙不可能與量子力學的規律無關。這就難怪薛丁格後來轉而對生命科學很感興趣了。1946年他寫出了著名的《生命是什麼》一書，提出了一些很有創見的觀點。遺憾的是，在他有生之年，那可憐的箱中之貓依然生死不明。