薛定諤的貓

“薛定諤的貓”是由奧地利物理學(xué)家薛定諤于1935年提出的有關(guān)貓既是死的又是活的著名思想實(shí)驗(yàn)的名字，它描述了量子力學(xué)的真相：在量子系統(tǒng)中，一個(gè)原子或者光子可以同時(shí)以多種狀態(tài)的組合形式存在，而這些不同的狀態(tài)可能對(duì)應(yīng)不同的甚至是矛盾的結(jié)果。整個(gè)實(shí)驗(yàn)是這樣進(jìn)行的：在一個(gè)盒子里有一只貓，以及少量放射性物質(zhì)。在一小時(shí)內(nèi)，大約有50%的概率放射性物質(zhì)將會(huì)衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，剩下50%的概率是放射性物質(zhì)不會(huì)衰變而貓將活下來。

1什么是薛定諤的貓？

“薛定諤的貓”是由奧地利物理學(xué)家薛定諤于1935年提出的有關(guān)貓既是死的又是活[1] 的著名思想實(shí)驗(yàn)的名字，它描述了量子力學(xué)的真相[2] ：粒子的某些特性無法確定，直到測(cè)量外力迫使它們選擇。整個(gè)實(shí)驗(yàn)是這樣進(jìn)行的：在一個(gè)盒子里有一只貓，以及少量放射性物質(zhì)。在一小時(shí)內(nèi)，大約有50%的概率放射性物質(zhì)將會(huì)衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，剩下50%的概率是放射性物質(zhì)不會(huì)衰變而貓將活下來[2] 。

根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，在盒子里必將發(fā)生這兩個(gè)結(jié)果之一，而外部觀測(cè)者只有打開盒子才能知道里面的結(jié)果[2] 。但在量子力學(xué)的怪異世界里，貓到底是死是活都必須在盒子打開后，外部觀測(cè)者“測(cè)量”具體情形才能知曉[2] 。當(dāng)盒子處于關(guān)閉狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)則一直保持不確定性的狀態(tài)，貓既是死的也是活的。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)旨在論證怪異的量子力學(xué)，當(dāng)它從粒子擴(kuò)大宏觀物體，諸如貓，聽起來非?；闹嘯2] 。

薛定諤的貓本身是一個(gè)假設(shè)的概念，但隨著技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)诠庾?、原子、分子中?shí)現(xiàn)了薛定諤貓態(tài)，甚至已經(jīng)開始嘗試用病毒來制備薛定諤貓態(tài)，就像劉慈欣《球狀閃電》中變成量子態(tài)的人，人們已經(jīng)越來越接近實(shí)現(xiàn)生命體的薛定諤貓[3] ?？墒橇硗庖环矫?，人們發(fā)現(xiàn)薛定諤貓態(tài)（量子疊加態(tài)）本身就在生命過程中存在著，且是生物生存不可缺少的[3] 。

2理想實(shí)驗(yàn)薛定諤的貓(Schr?dinger's Cat)是關(guān)于量子理論的一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)。

盡管量子論的誕生已經(jīng)過了一個(gè)世紀(jì)，其輝煌鼎盛與繁榮也過了半個(gè)世紀(jì)。但是量子理論曾經(jīng)引起的困惑至今仍困惑著人們。正如玻爾的名言：“誰要是第一次聽到量子理論時(shí)沒有感到困惑，那他一定沒聽懂?！毖Χㄖ@的貓是諸多量子困惑中有代表性的一個(gè)。一只貓被封在一個(gè)密室里，密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個(gè)錘子，錘子由一個(gè)電子開關(guān)控制，電子開關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動(dòng)電子開關(guān)，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出里面的氰化物氣體，貓必死無疑。原子核的衰變是隨機(jī)事件，物理學(xué)家所能精確知道的只是半衰期——衰變一半所需要的時(shí)間。如果一種放射性元素的半衰期是一天，則過一天，該元素就少了一半，再過一天，就少了剩下的一半。但是，物理學(xué)家卻無法知道，它在什么時(shí)候衰變，上午，還是下午。當(dāng)然，物理學(xué)家知道它在上午或下午衰變的幾率——也就是貓?jiān)谏衔缁蛘呦挛缢劳龅膸茁?。如果我們不揭開密室的蓋子，根據(jù)我們?cè)谌粘Ｉ钪械慕?jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)定，貓或者死，或者活。這是它的兩種本征態(tài)。但是，如果我們用薛定諤方程來描述薛定諤貓，則只能說，它處于一種活與不活的疊加態(tài)。我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道貓是死是活。此時(shí)，貓的波函數(shù)由疊加態(tài)立即收縮到某一個(gè)本征態(tài)。量子理論認(rèn)為：如果沒有揭開蓋子，進(jìn)行觀察，我們永遠(yuǎn)也不知道貓是死是活，它將永遠(yuǎn)處于半死不活的疊加態(tài)。

薛定諤挖苦說：按照量子力學(xué)的解釋，箱中之貓?zhí)幱凇八溃畀B加態(tài)”——既死了又活著！要等到打開箱子看貓一眼才決定其生死。（請(qǐng)注意！不是發(fā)現(xiàn)而是決定，僅僅看一眼就足以致命?。┱窆防滋赝踝铀f：“生存還是死亡，這是一個(gè)問題?！敝挥挟?dāng)你打開盒子的時(shí)候，疊加態(tài)突然結(jié)束（在數(shù)學(xué)術(shù)語就是“波函數(shù)坍縮（collapse）”），哈姆雷特王子的猶豫才終于結(jié)束，我們知道了貓的確定態(tài)：死，或者活。哥本哈根的幾率詮釋的優(yōu)點(diǎn)是：只出現(xiàn)一個(gè)結(jié)果，這與我們觀測(cè)到的結(jié)果相符合。但是有一個(gè)大的問題：它要求波函數(shù)突然坍縮。但物理學(xué)中沒有一個(gè)公式能夠描述這種坍縮。盡管如此，長(zhǎng)期以來物理學(xué)家們出于實(shí)用主義的考慮，還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價(jià)是：違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿于懷了。

哥本哈根詮釋在很長(zhǎng)的一段時(shí)間成了“正統(tǒng)的”、“標(biāo)準(zhǔn)的”詮釋。但那只不死不活的貓卻總是像惡夢(mèng)一樣讓物理學(xué)家們不得安寧。格利賓在《尋找薛定諤的貓》中想告訴我們的是，哥本哈根詮釋在哪兒失?。恳约坝檬裁丛忈尶梢蕴娲?？

干涉實(shí)驗(yàn)

1801年，托馬斯·楊進(jìn)行了一次光學(xué)實(shí)驗(yàn)，即著名的楊氏雙孔干涉實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，光顯示出波粒二象性。后來又有人做了單電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，這是否證明了埃弗雷特的多世界理論呢？

在一張紙板上開兩道狹縫，然后在紙板后架上光屏，用一個(gè)儀器發(fā)射出一個(gè)電子，使其通過狹縫。按照正常思維來看，電子可能通過這個(gè)狹縫，也可能通過另一個(gè)狹縫。而觀測(cè)顯示：這個(gè)電子在兩道狹縫后都形成了圖像。

有人說只射出一個(gè)電子，也會(huì)產(chǎn)生干涉條紋，這是德布羅意物質(zhì)波的相干疊加所導(dǎo)致的必然結(jié)果。

3尋找薛定諤貓

哥本哈根詮釋

哥本哈根詮釋在很長(zhǎng)的一段時(shí)間成了“正統(tǒng)的”、“標(biāo)準(zhǔn)的”詮釋。但那只不死不活的貓卻總是像惡夢(mèng)一樣讓物理學(xué)家們不得安寧。格利賓在《尋找薛定諤的貓》中想告訴我們的是，哥本哈根詮釋在哪兒失??？以及用什么詮釋可以替代它？

格利賓

1957年，埃弗雷特提出的“多世界詮釋”似乎為人們帶來了福音，雖然由于它太離奇開始沒有人認(rèn)真對(duì)待。格利賓認(rèn)為，多世界詮釋有許多優(yōu)點(diǎn)，由此它可以代替哥本哈根詮釋。我們下面簡(jiǎn)單介紹一下埃弗雷特的多世界詮釋。

格利賓在書中寫道：“埃弗雷特……指出兩只貓都是真實(shí)的。有一只活貓，有一只死貓，但它們位于不同的世界中。問題并不在于盒子中的放射性原子是否衰變，而在于它既衰變又不衰變。當(dāng)我們向盒子里看時(shí)，整個(gè)世界分裂成它自己的兩個(gè)版本。這兩個(gè)版本在其余的各個(gè)方面都是全同的。唯一的區(qū)別在于其中一個(gè)版本中，原子衰變了，貓死了；而在另一個(gè)版本中，原子沒有衰變，貓還活著?！?/p>

也就是說，上面說的“原子衰變了，貓死了；原子沒有衰變，貓還活著”這兩個(gè)世界將完全相互獨(dú)立地演變下去，就像兩個(gè)平行的世界一樣。格利賓顯然十分贊賞這一詮釋，所以他接著說：“這聽起來就像科幻小說，然而……它是基于無懈可擊的數(shù)學(xué)方程，基于量子力學(xué)樸實(shí)的、自洽的、符合邏輯的結(jié)果?！薄霸诹孔拥亩嗍澜缰校覀兺ㄟ^參與而選擇出自己的道路。在我們生活的nroe等人用單個(gè)鈹離子作成了“薛定諤的貓”并拍下了快照，發(fā)現(xiàn)鈹離子在第一個(gè)空間位置上處于自旋向上的狀態(tài)，而同時(shí)又在第二個(gè)空間位置上處于自旋向下的狀態(tài)，而這兩個(gè)狀態(tài)相距80納米之遙！（1納米等于1毫微米）——這在原子尺度上是一個(gè)巨大的距離。想像這個(gè)鈹離子是個(gè)通靈大師，他在紐約與喜馬拉雅同時(shí)現(xiàn)身，一個(gè)他正從摩天樓頂往下跳傘；而另一個(gè)他則正爬上雪山之巔！——量子的這種“化身博士”特點(diǎn)，物理學(xué)上稱“量子相干性”。在早期的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)光粒子即以優(yōu)美的波粒二象性，輕巧地同時(shí)穿過兩條狹縫，在觀察屏上制造出一幅美麗的明暗相干條紋。

4薛定諤方程

方程

埃爾溫·薛定諤在20世紀(jì)20年代中期創(chuàng)立了現(xiàn)在被稱為量子力學(xué)分支中的一個(gè)方程。后來被稱之為薛定諤

現(xiàn)六光子薛定諤貓態(tài)

方程：▽2ψ(x，y，z)+(8π2m/h2)[E-U(x，y，z)]ψ(x，y，z)=0

量子理論是20世紀(jì)科學(xué)的重大進(jìn)展之一，但由于量子力學(xué)對(duì)傳統(tǒng)觀念所帶來的巨大沖擊，連“量子”的提出者在內(nèi)的科學(xué)家都想盡各種辦法拒絕它，或做出各種調(diào)和性的解釋。事實(shí)上，薛定諤就被量子力學(xué)的結(jié)果弄得心神不安，他不喜歡波粒二象性的二元解釋以及波的統(tǒng)計(jì)解釋，試圖建立一個(gè)只用波來解釋的理論。

一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)

薛定諤嘗試著用一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)量子理論隱含的不確之處。

設(shè)想在一個(gè)封閉的匣子里，有一只活貓及一瓶毒藥。當(dāng)衰變發(fā)生時(shí)，藥瓶被打破，貓將被毒死。按照常識(shí)，貓可能死了也可能還活著。但是量子力學(xué)告訴我們，存在一個(gè)中間態(tài)，貓既不死也不活，直到進(jìn)行觀察看看發(fā)生了什么。

量子力學(xué)告訴我們：除非進(jìn)行觀測(cè)，否則一切都不是真實(shí)的。愛因斯坦和少數(shù)非主流派物理學(xué)家拒絕接受由薛定諤及其同事創(chuàng)立的理論結(jié)果。愛因斯坦認(rèn)為，量子力學(xué)只不過是對(duì)原子及亞原子粒子行為的一個(gè)合理的描述，是一種唯象理論，它本身不是終極真理。他說過一句名言：“上帝不會(huì)擲骰子?！彼怀姓J(rèn)薛定諤的貓的非本征態(tài)之說，認(rèn)為一定有一個(gè)內(nèi)在的機(jī)制組成了事物的真實(shí)本性。他花了數(shù)年時(shí)間企圖設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)這種內(nèi)在真實(shí)性是否確在起作用，但他沒有完成這種設(shè)計(jì)就去世了。

5薛定諤貓態(tài)

“薛定諤貓”態(tài)

美國(guó)科學(xué)家宣布，他們成功讓6個(gè)鈹離子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態(tài)，也就是量子力學(xué)理論中的“薛定諤貓”態(tài)。

根據(jù)量子力學(xué)理論，物質(zhì)在微觀尺度上存在兩種完全相反狀態(tài)并存的奇特狀況，這被稱為有效的相干疊加態(tài)。由大量微觀粒子組成的宏觀世界是否也遵循量子疊加原理？奧地利物理學(xué)家薛定諤為此在1935年提出著名的“薛定諤貓”佯謬。

“薛定諤貓”佯謬假設(shè)了這樣一種情況：將一只貓關(guān)在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發(fā)生衰變，會(huì)觸發(fā)機(jī)關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會(huì)死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)量子力學(xué)理論，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就理應(yīng)處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)。這只既死又活的貓就是所謂的“薛定諤貓”。

顯然，既死又活的貓是荒謬的。薛定諤想要借此闡述的物理問題是：宏觀世界是否也遵從適用于微觀尺度的量子疊加原理?！把Χㄖ@貓”佯謬巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯(lián)系起來，旨在否定宏觀世界存在量子疊加態(tài)。然而隨著量子力學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家已先后通過各種方案獲得了宏觀量子疊加態(tài)。此前，科學(xué)家最多使4個(gè)離子或5個(gè)光子達(dá)到“薛定諤貓”態(tài)。但如何使更多粒子構(gòu)成的系統(tǒng)達(dá)到這種狀態(tài)并保存更長(zhǎng)時(shí)間，已成為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的一大挑戰(zhàn)。

實(shí)驗(yàn)

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所的萊布弗里特等人在最新一期《自然》雜志上稱，他們已實(shí)現(xiàn)擁有粒子較多而且持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的“薛定諤貓”態(tài)。實(shí)驗(yàn)中，研究人員將鈹離子每隔若干微米“固定”在電磁場(chǎng)阱中，然后用激光使鈹離子冷卻到接近絕對(duì)零度，并分三步操縱這些離子的運(yùn)動(dòng)。為了讓盡可能多的粒子在盡可能長(zhǎng)的時(shí)間里實(shí)現(xiàn)“薛定諤貓”態(tài)，研究人員一方面提高激光的冷卻效率，另一方面使電磁場(chǎng)阱盡可能多地吸收離子振動(dòng)發(fā)出的熱量。最終，他們使6個(gè)鈹離子在50微秒內(nèi)同時(shí)順時(shí)針自旋和逆時(shí)針自旋，實(shí)現(xiàn)了兩種相反量子態(tài)的等量疊加糾纏，也就是“薛定諤貓”態(tài)。

奧地利因斯布魯克大學(xué)的研究人員也在同期《自然》雜志上報(bào)告說，他們?cè)?個(gè)離子的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了“薛定諤貓”態(tài)，但維持時(shí)間稍短。

研究意義

科學(xué)家稱，“薛定諤貓”態(tài)不僅具有理論研究意義，也有實(shí)際應(yīng)用的潛力。比如，多粒子的“薛定諤貓”態(tài)系統(tǒng)可以作為未來高容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的核心部件，也可以用來制造極其靈敏的傳感器以及原子鐘、干涉儀等精密測(cè)量裝備。

愛因斯坦羅森橋