薛定谔的小猫[英] 约翰•格里宾

盒子中的猫

　　哥本哈根解释中最为奇怪的事情之一就是有意识的观察者在决定微观世界中发生了什么时的地位，这个问题在盒子中猫的实验中表现得最为清楚。这种情形的最简单例子就是假想一个盒子中只包含有一个电子。如果没有人往盒子里面看，那么根据哥本哈根解释，在盒子中的任何一处找到电子的机会是均等的——伴随着电子的概率波均匀地分布在盒子中。现在假设仍然没有人观察盒子，一块隔板自动落在盒子中间，将原来的盒子分隔成相等的两半。常识告诉我们，电子必定位于盒子的这边或那边。但是哥本哈根解释告诉我们，概率波仍然均匀分布在两个半盒子中。这意味着在盒子的任何一边找到电子的概率是相等的。只有当有人往盒子中看，并注意到电子位于盒子的一边时，波函数才发生坍塌，电子才变成“真实的”。同时盒子另一半中的概率波消失。如果你将盒子重新关闭起来，停止对电子的观察，这对概率波马上传播开去填满电子所在的那半个盒子，而不会传播回电子曾经所处的盒子的那一半中去。（至少不是等概率的。将有非常小的概率使电子位于盒子的另一半，或在整个盒子的外面。但是在本实验中那种概率可以忽略不计。）

　　物理学家鲍尔?戴维斯简明地概述了这种情况：在观察之前，有两个模糊不清的电子“幽灵”分别位于两个隔离室之中，等待一个观察者使得其中的一个变成“真实的”电子，同时导致另一个彻底地消失。（参见《原子中的幽灵》，第22页。）在这里“同时”一词也是非常重要的。它给出了非局域性在起作用的另一个例子。但是，在我进一步讨论它的含义之前，我想解释一下，即薛定谔是如何演示下述论断——观察者使得位于盒子的这一半或另一半的电子成为真实的——的荒谬性的。

　　薛定谔的迷惑最初于1935年以印刷品的形式出现。这个迷惑需要建立一个量子环境，其中有两种结果出现的概率是均等的。当进行这个实验时，它在原始的例子中使用了放射性衰减技术，因为放射源也符合概率规则。依据位于分隔后的盒子中的电子的问题，我们很容易想象这个实验。薛定谔本人也参考了在一个钢做的隔离室中进行的实验。这个实验用量子力学的术语来描述，那就是盒子中猫的问题(盒子中还有其他东西)。我希望在更一般的意义上解释术语“隔离室”。它能给猫提供一个空间，使猫在其中自由自在地生活。但这些丝毫不影响薛定谔论断中的要点。设想一下我刚才描述的整个系统——一个分隔成两半的盒子、一个电子和一块自动滑移的挡板——放置在一间没有窗户的、封闭的屋子里面的一张桌子上。挡板已经自动滑移，将盒子等分成两半。电子在任何一边出现的概率相等。在盒子外面有一个电子检测器，这个检测器连接到一个设备上。如果检测器检测到一个电子的话，这个设备将向屋子内释放毒气。在屋子的一个角落里有一只猫，在安静地享受它自己的生活。薛定谔将这个设备描述为“恶魔设备”，不过请记着，这仅仅是一个思想实验，并没有一只真正的猫曾遭受过我正要描述的侮辱。

　　薛定谔让我们想象一下，如果恰好是装有电子的盒子的那一边自行打开，允许电子跑出来，那将会发生什么事情?现在仍然没有人去观察在这间锁住的屋子里面到底发生了什么。根据哥本哈根解释，仍有50%的概率让电子位于仍然封闭着的盒子的那一边。但是现在也有50%的概率让电子跑到屋子里面。既然这是一个思想实验，我们就可以设想检测器非常敏感，以至于它可以精确地检测到跑到屋子中任何一个角落的电子。如果电子已经从盒子中跑了出来，那就应该被机器检测到，从而就将触发设备释放毒气，将猫杀死。

　　即使没有人去观察，你也可能会想象出事情的结果：要么电子从盒子中跑了出来，要么没有跑出来。如果电子已经从盒子中跑了出来，那么，当它被检测器“注意”到时，其波函数将会发生坍塌，从而猫就倒霉了。但是玻尔说：常识告诉我们的是这个观点错了。

　　量子理论的标准解释告诉我们，因为电子检测器自身也是由量子世界的微观单元(原子、分子等等)构成的，在这个水平上与电子发生相互作用，检测器也要遵从量子规则，包括概率规则。根据这个图像，只有当有人打开门往屋子里面看时，整个系统的波函数才会发生坍塌(这个人最好带上防毒面具，如果他还想保证自己处于清醒状态的话)。在那个时刻，也只有在那个时刻，电子才“决定”自己是在盒子里面还是外面，检测器才“决定”自己是否检测到了电子，猫才“决定”自己是死是活。哥本哈根解释将在有人往屋子里面看之前的状态称为“叠加态”——或者用薛定谔的话说：“活猫和死猫混合在一起，或者是以相等的份儿掺和在一起。”（参见《量子理论和测量》，第157页。）

　　你可以想象屋子里面有一只猫，在同一刻它既是死的又是活的，或者它既不是死的，又不是活的，暂停在地狱的边缘，随你怎么看。但是根据哥本哈根解释，你却不能想象为在有人观察之前，屋子里面有一只死猫，或者仅仅是一只活猫。

　　这个论断的所有用意就在于突出哥本哈根解释的悖论性，所以如果你能够在其中找到漏洞也不足以为怪。一个明显的迷惑就是你如何定义一个“有意识的”观察者。猫自身是否足以知道它自己是否已经吸入了毒气，已经死了呢?难道猫对于屋子中所发生事情的反应与一个作为观察者的人往屋子里面看有什么不同吗?你将在什么地方划分界线呢?从人的标度往下看，一直到量子世界。请问，一只蚂蚁可以使波函数发生坍塌吗?一个细菌呢?

　　换一个角度来看这个迷惑，即从量子世界往上看。因为电子设备是由量子实体例如原子和分子等构成的，所以我们有充足的理由说检测器不能使波函数发生坍塌。但是人(或猫)也是由原子和分子来构成的。如果检测器不能使波函数发生坍塌，那么为什么我们能呢?在这种意义上，生命对于有意识的观察者来说是必要的吗?当一个非常复杂的计算机往屋子里面看时能使波函数发生坍塌吗?

　　离开原始的电子，再往前走一步，如果一个人进入屋子去看猫是否被毒死了，这时这个人便是屋子里面唯一的一个人，那么这时的情况又会怎么样呢?严格的哥本哈根解释说，叠加态(薛定谔的涂片)包围着这个观察者。直到屋子外面的其他人来观看实验结果(或者打电话进来询问情况怎么样)时为止。在有人观察之前，不仅是猫，作为观察者的人也是处于地狱的边缘。那么又是谁来观察屋子之外的这个人，从而使其波函数发生坍塌呢?难道这整个的过程可以这么一直倒退着进行下去吗?

　　关键的问题是：在量子概率性和我们所认为的真实性之间的分界线在何处?一个系统在成为“真实的”、能够使波函数发生坍塌之前应该包含多少个分子?为了使系统完成这个功能，这些分子必须如何排布?

　　这就是那种目前还在使哲学家和量子力学家蒙受压力的迷惑。他们都知道量子力学是实用的;同时他们都想知道它为什么是实用的，都想为没有人观察时封闭屋子里所发生的事情构造一个可理解的图像。盒子中的猫这个简单实验带来这样大的迷惑，但量子迷惑不止这些。在我讲的量子力学的意义之前，我想借助于薛定谔的猫的儿女来揭示更深层次的神秘性。

 约翰?格里宾(John Gribbin)，英国著名科学读物专业作家，萨塞克斯大学天文学访问学者。他毕业于剑桥大学，获天体物理学博士学位,现在是苏塞克斯大学的客座天文学研究员。曾先后在《自然》志和《新科学家》周刊任职。1974年他以其关于气候变迁的作品获得了英国科学著作奖。经常替《泰晤士报》、《卫报》和《独立报》撰写有关科学的文章，著作等身（50多部）其中包括《寻找薛定谔的猫》（海南出版社）、《大宇宙百科全书》（海南出版社）、《探索大爆炸》、《漫画时间史》（与凯特?查尔斯沃思合著）等书。

前言 / 1

序章问题 / 1

光的奇异性?电子干涉?标准观点?深水?盒子中的猫?真实性的另一面?薛定谔猫的儿女

第一章古代光学 / 35

第一个现代科学家?从伍尔西索普到剑桥再到伍尔西索普?在牛顿的遮蔽下?牛顿的世界观?扬的观点?菲涅耳、泊松及亮斑?书籍装订商的学徒?法拉第的场?神秘的颜色?惊人的麦克斯韦方程组

第二章现代 / 73

以太之死?走向狭义相对论?爱因斯坦的洞见?超光速与时间倒退?进入光子世界?教爱因斯坦计算光子的人?有关光子与物质的新理论?量子电动力学的胜利?未来的光学

第三章奇异而真实 / 117

看到不可能的光?深入探索光子行为?兼顾双方?无中生有?“赶紧发送我，斯科特”?量子密码术?深入光子内部?观察量子?奇妙的电子回路?什么时候是光子?

第四章绝望中的补救 / 155

哥本哈根解释的垮台?我想，因此?冯?诺依曼的愚蠢的错误?不可分割的整体?宇宙的扩散?量子主题的多元性?绝望中的忠告?相对性的一个方面?一个与时间有关的实验

第五章思考之思考 / 201

构造夸克?认识爱因斯坦?描述不可描述的?了解现实世界?进驻量子实在的整体进路

结语解决方案：我们这一时代的秘密 / 243

充分利用质量?把万有引力串起来?复杂性的简单方面?与宇宙握手?拿出时间去制造时间

参考书目 / 269

 量子理论到底是什么?在这里你将会找到理解这个理论所需要的一切知识，不管你是否曾经读过关于这个主题的文章。你将读到这样一些看起来是自相矛盾的现象：例如光子(光的粒子)可以在同一时刻位于两个位置，原子能够同时通过两条路径，对于一个以光速运动的粒子来说时间是静止的，等等。同时你还会发现量子理论是可能实现星际传送的理论依据。

 量子世界的所有奇异性都可以通过考察那只原始猫的两个孪生后代的历险过程来获得清楚的理解。在重新考虑光的本质问题之后(这个问题在量子论和相对论中都是一个关键问题),一些新的思想便出现了。这些思想能够解释真实性的本质和解决所有的量子之谜。

 你准备好了吗?

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