“薛定諤的貓”到底蘊含著怎樣的奧秘？

對于量子力學(xué)，有些人癡迷于其中的奇妙現(xiàn)象，希望一窺量子世界的奧秘；也有些人將量子力學(xué)視作天書，一聽到各種復(fù)雜的概念就會滿頭霧水。那么，到底什么是量子力學(xué)呢？

其實，量子力學(xué)并沒有那么神秘，它已經(jīng)發(fā)展成為一門成熟的物理學(xué)分支。早在19世紀(jì)末，隨著對微觀世界的不斷探索，物理學(xué)家逐漸意識到，適用于宏觀世界的經(jīng)典物理理論，無法解釋微觀世界中的運行規(guī)律和某些奇妙現(xiàn)象。于是，經(jīng)過物理學(xué)家的不懈努力，終于找到了用以描述微觀世界的物理理論，這就是“量子力學(xué)”。

正是因為量子力學(xué)所描述的微觀世界，不同于我們身處的宏觀世界，因此，我們總是習(xí)慣性地采用經(jīng)典物理理論來思考問題，而很難理解量子力學(xué)。然而，要想把握量子力學(xué)的精髓，我們只需要弄清楚“量子糾纏”這一核心概念就可以了。

量子糾纏：量子力學(xué)理論的核心概念

很多人都會對量子糾纏有所耳聞，但或許對它的理解并不深刻。

在量子力學(xué)的理論體系中，當(dāng)幾個微觀粒子在相互作用后，無論之后彼此相距多遠，這幾個微觀粒子所具有的物理量都只能當(dāng)作一個整體來進行描述，而無法再單獨描述單個微觀粒子的物理量。這種只存在于微觀世界內(nèi)，并且描述整個系統(tǒng)的物理量的現(xiàn)象，就叫作“量子糾纏”。

在這里舉個例子，來更加直觀地體會量子糾纏的奇妙之處。物理學(xué)家可以將一個正電子和一個負電子對撞，從而發(fā)生湮滅并且釋放出一對光子（不必糾結(jié)于正負電子這一概念，只需要了解，這對光子整體的物理量一定是守恒的即可）。

由于這對光子的總物理量始終守恒，因此無論這兩個光子相距多遠，其中一個光子的變化都會立即導(dǎo)致另外一個光子也發(fā)生改變。因此，這對光子無論相距多遠，都始終處于“量子糾纏”的狀態(tài)。

這種量子糾纏的現(xiàn)象是很不可思議的。這是因為，如果這對光子之間要保持這種奇妙的相互作用，那就說明，它們彼此之間需要在瞬間完成信號的傳遞。而這種瞬間的超光速的相互作用，違反我們在宏觀世界中的常識，因此讓人一時間無法理解。

其實，不單單是我們無法理解量子糾纏，就連很多物理學(xué)家都很難解釋這一奇妙的微觀現(xiàn)象。于是連愛因斯坦都感嘆道，量子糾纏是一種“鬼魅的相互作用”。

而從19世紀(jì)末至今，無數(shù)的物理學(xué)家也在一次又一次的思想碰撞中，逐步揭開量子糾纏的神秘面紗。也正是在長期的爭辯中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了微觀世界中的運行規(guī)律，并且進一步豐富和完善了量子力學(xué)的理論體系。

經(jīng)典物理學(xué)派VS量子物理學(xué)派

在19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，當(dāng)時的物理學(xué)界出現(xiàn)了影響至今的兩大學(xué)派，其中一派是以愛因斯坦、薛定諤為代表的“經(jīng)典物理學(xué)派”，而另外一派則是以波爾、海森堡為代表的“量子物理學(xué)派”。

顧名思義，經(jīng)典物理學(xué)派始終堅持從經(jīng)典物理理論的角度出發(fā)，用宏觀世界中的經(jīng)驗來思考物理問題。例如，愛因斯坦就一直強調(diào)，我們身處的物理世界應(yīng)該是“確定性”的，而不能是充滿隨機性的概率。此外，一個完備的物理理論也應(yīng)該遵循嚴格的“實在性”和“局域性”。

上述的“確定性”可以這樣簡單理解，當(dāng)知道搖晃中的骰子的所有物理信息（如質(zhì)量、速度等）后，我們就能夠通過物理定律計算出骰子的點數(shù)。也就是說，擲骰子本身也并非一個概率性事件，只是我們了解的物理信息不夠充分才不知道擲骰子的結(jié)果。

而“實在性”是指，物理世界的性質(zhì)本身是實實在在的，而不是依賴于我們的觀察。這就像無論我們是否抬頭觀察夜空，月亮總會掛在那里不會消失。

最后的“局域性”是指，物體之間存在相互作用，但是這種相互作用的傳遞速度是不可能超過光速的，更不可能是瞬間的。這是因為，愛因斯坦的狹義相對論告訴我們，光速是宇宙中最快的速度。

而以波爾、海森堡為代表的量子物理學(xué)派卻不這樣認為。

針對經(jīng)典物理學(xué)派提出的確定性，量子物理學(xué)派強調(diào)，微觀世界中應(yīng)該遵循統(tǒng)計意義上的概率性質(zhì)，而不再像宏觀世界一樣總是對應(yīng)確實的結(jié)果。因此，微觀世界的本質(zhì)上就是“概率性”的。

這里的“概率性”是指在微觀世界中，物質(zhì)的狀態(tài)并不確定，它可能是這樣的，也可能是那樣的，它存在一定概率這樣，也存在一定概率那樣。

為了進一步描述微觀世界中的概率性事件，量子物理學(xué)派提出了“波函數(shù)”的概念，來體現(xiàn)這種概率性本質(zhì)。也就是說，微觀世界中的物理狀態(tài)在被觀測之前，它總是處于不同狀態(tài)的疊加，而一旦被觀測后，就會轉(zhuǎn)變?yōu)槠渲心硞€確定的狀態(tài)。

這里的“疊加性”也是微觀世界中特有的現(xiàn)象，比如，微觀世界中單個放射性粒子的衰變就是一種概率性的事件。因此，在一段時間內(nèi)，單個放射性粒子有一定的概率發(fā)生了衰變，也有一定概率保持原狀，那么這個放射性離子就處于“發(fā)生衰變/未衰變”的疊加狀態(tài)。

而對于經(jīng)典物理學(xué)派所堅持的觀點，即一個完備的物理理論應(yīng)該遵循嚴格的實在性和局域性。量子物理學(xué)派也回應(yīng)道，這種所謂的實在性和局域性只是我們對于宏觀世界運行規(guī)律的理解，而并不適用于微觀世界。因此，我們應(yīng)該運用量子力學(xué)中“量子糾纏”的概念，來理解和處理微觀世界中的問題。

可以說，經(jīng)典物理學(xué)派和量子物理學(xué)派有關(guān)微觀世界的爭論，已經(jīng)超出單純的物理學(xué)范疇，而是體現(xiàn)了兩種認知世界的哲學(xué)思考。愛因斯坦雖然也是量子力學(xué)的提出者之一，他卻始終懷疑量子力學(xué)的完備性，并且不斷提出更為深刻的思想實驗（只采用邏輯上的推理，而沒有進行相應(yīng)的實驗）來尋找量子力學(xué)的漏洞。

也正因為如此，量子力學(xué)的研究才得到了空前的發(fā)展，并且促使人們開始更加深入地思索認識世界的方式。此外，實驗物理學(xué)家也用一次又一次精密的實驗結(jié)果，驗證了量子力學(xué)的正確性。在這場關(guān)于物理學(xué)術(shù)觀點的巔峰對決中，兩個學(xué)派互不相讓。

“薛定諤的貓”：我為量子疊加代言

經(jīng)典物理學(xué)派的觀點得到了廣大物理學(xué)家的支持，其中一個物理學(xué)家就是大名鼎鼎的薛定諤。

為了支持經(jīng)典物理學(xué)派，薛定諤構(gòu)思了一個有趣的思想實驗，即“薛定諤的貓”思想實驗，來反駁量子物理學(xué)派的概率性觀點。

簡單而言，薛定諤假設(shè)一只貓被放在完全密閉的箱子內(nèi)，這個箱子的內(nèi)部狀態(tài)無法被外界所探測。箱子的內(nèi)部也同時存在可以概率性衰變的放射性物質(zhì)，以及一套探測放射性衰變的毒氣釋放裝置。

如果在一段時間內(nèi)，放射性物質(zhì)沒有發(fā)生衰變，那么毒氣釋放裝置就不會被觸發(fā)，因而貓仍然會存活；然而，如果放射性物質(zhì)發(fā)生衰變，那么該裝置就會探測到衰變這一事件，從而觸發(fā)毒氣釋放的開關(guān)，那么可憐的貓就會死去。

也就是說，在箱子未被打開之前，這只貓的生死狀態(tài)取決于放射性物質(zhì)的是否衰變。但是，奇怪的事情發(fā)生了！按照量子力學(xué)的觀點，在微觀世界中，放射性物質(zhì)的衰變與否本身就是一個概率性的事件，而無法被準(zhǔn)確地預(yù)測。因此，我們可以驚奇地發(fā)現(xiàn)，這只貓在未被觀測之前，竟然無法處于一個確定的狀態(tài)，只能說是處于存活/死亡的概率性疊加狀態(tài)之中！

薛定諤希望，將量子物理學(xué)派信奉的微觀世界中“概率性”，關(guān)聯(lián)放大到宏觀世界中，來違反人們生活中的常識，從而體現(xiàn)出量子理論的荒謬之處。

按照我們身處的宏觀世界來理解，薛定諤的假設(shè)當(dāng)然是正確的，而這種概率性的事件簡直是無比的荒謬。以至于連愛因斯坦都感嘆道：“我不相信只是因為我沒有去看月亮一眼，夜空中的月亮就有可能消失。”

波爾的反駁：拋棄經(jīng)典時代的想法吧，迎接量子時代

薛定諤的思想實驗看起來是那么完美，然而量子物理學(xué)派并不認可薛定諤的這種思想實驗。波爾認為，經(jīng)典物理學(xué)派并沒有真正體會到微觀世界中的概率性本質(zhì)，而是仍然采用經(jīng)典物理理論的思維，來套用量子物理理論的框架。

首先，微觀世界中的概率性特征，不應(yīng)該對應(yīng)著宏觀世界中的具體事物，而是應(yīng)該存在一種失效的邊界。

也就是說，薛定諤思想實驗中的“放射性物質(zhì)隨機衰變”這一微觀事件，不能夠無限地拓展到我們身處的宏觀世界中。因此，我們不能對箱子中的貓采用量子力學(xué)的概率性進行描述，也就不存在處于存活/死亡疊加狀態(tài)的貓。

其次，薛定諤思想實驗中的“毒氣釋放裝置”需要探測到放射性物質(zhì)發(fā)生衰變，才能夠被觸發(fā)并導(dǎo)致貓的死亡。

然而，這個探測過程一定是大量放射性物質(zhì)發(fā)生衰變的統(tǒng)計過程。也就是說，單個衰變的過程發(fā)出的放射量太低，是無法被探測器有效探測的，只有大量的放射性物質(zhì)發(fā)生衰變，才能超過探測器的最低閾值。

因此，這個大量衰變事件發(fā)生的過程，仍然是一個統(tǒng)計意義上的宏觀事件，而非量子理論所描述的微觀事件。

最后，探測器來探測放射性物質(zhì)是否發(fā)生衰變，這一事件本身就是一種觀察的方式。也就是說，雖然我們沒有打開盒子觀察內(nèi)部狀態(tài)，但是發(fā)生衰變與否這一事件，其實在毒氣裝置被觸發(fā)的一瞬間就確定下來了。

因此，后續(xù)貓的狀態(tài)也只是自然而然順延發(fā)生的事件，也就沒有所謂的存活/死亡的疊加狀態(tài)了。

因此，量子物理學(xué)派敏銳地發(fā)現(xiàn)“薛定諤的貓”的漏洞，并且利用量子力學(xué)中的波函數(shù)的概念，進一步鞏固了自身的觀點。

雖然經(jīng)典物理學(xué)派在第一次量子巔峰對決中并沒有占據(jù)優(yōu)勢，而且原本想反駁量子理論而提出的“薛定諤的貓”的思想實驗，也意外成為了宣傳“量子糾纏”的有趣故事。然而，經(jīng)典物理學(xué)派仍堅持“物理學(xué)必須是實在的，而且物理規(guī)律也必須是具有嚴格的因果性和客觀性”這一觀點。因此愛因斯坦并不甘心失敗，他繼續(xù)從經(jīng)典學(xué)派的高手中挑選合適的隊友，準(zhǔn)備向著波爾所處的量子學(xué)派發(fā)起第二次量子巔峰對決。

文章來源：科普中國