薛定谔的猫

在走出量子理论中那些令人绝望的哲学泥潭之前，我们应该去瞄一眼现如今已经如雷贯耳的“薛定谔的猫”悖论。这个悖论将由统计概率主宰的扑朔迷离的量子微观世界与由确定的物理状态组成的牛顿的宏观世界联系到了一起。就像爱因斯坦、波多尔斯基和罗森一样，薛定谔同样反对那样一个物理世界——一个在观测之前没有客观实在的世界，一个在观测之前仅仅是各种可能性混在一起的世界。薛定谔的悖论原本是要嘲讽上述那种世界观，可如今却被用于调侃科学家们。他通过这个思想实验，让量子效应在我们日常的宏观世界中富有戏剧性地显现出来。在设计这个实验时，他同样利用了放射现象，其中粒子按一定的概率衰变，尽管我们不能预言某部分粒子到底什么时候衰变。也就是说，我们可以预言比如一小时时间里有多少百分比的粒子会衰变，但无法预知具体哪一个单个的粒子会在这个小时里衰变。

薛定谔的精妙设计是这样的：将一只猫和一瓶致命毒气一起放进盒子里。在盖革计数器的管子中放上少量的衰变物质，这种物质的量很少，经过一小时也才只有50%的概率探测到有一个原子发生裂变。最后我们做出了这么一个“小题大做”的装置：原子的衰变会触发盖革计数器，然后会激发一个电磁继电器，进而触发一个小锤子，这个小锤子会打碎装有毒气的瓶子，最后毒气会杀死这只猫。（天哪，这群20世纪初的维也纳知识分子真会玩……）

那么问题来了，经过了一个小时这只猫是死了还是活着？如果我们用量子波函数来描述整个系统，这个不知死活的猫就是一个混合态，即“既死又活”（请原谅我的措辞）。波函数Ψ告诉我们此刻的情形应该是一个“猫活”和“猫死”的混合态[15]，换言之，应该用Ψ猫活＋Ψ猫死这样的形式来描述这个混合的量子态。所以在一小时后，即便在宏观世界中，我们也只能得到这只猫活着或死去的概率，分别为和。

那么问题又来了：是否在某人或什么其他东西观察箱子内情形的那一瞬间，“猫活”或“猫死”的量子态就被确定下来了呢？难道那只猫不会紧张地看着盖革计数器，自己作为观测者吗？或者“谁是凶手”这个问题可以进一步扩展：放射性物质的衰变可以用计算机监控，并且将猫在任一瞬间的状态打印到箱子内的一页纸上。当第一次用电脑去探测它时，猫是否确定地活着或者死去？那么当这个信息在纸上完全被打印出来的时候呢？或者当我们看打印结果的时候呢？再或者在原子衰变后一束电子在盖革传感器的管内让盖革计数器发出“嘀嗒”一声的时候（此时，从亚原子的过程过渡为宏观世界的现象）呢？薛定谔的“盒中猫”悖论，像EPR思想实验一样，成为强有力的反面论据挑战着新生的量子理论。根据直觉，我们显然不会有一只“混合状态”的猫，一半活，一半死……呃，这个可以有吗？

就像我们后面会看到的，实验显示薛定谔的这只宏观世界的猫确实可以以一种混合态存在，当然这只猫是一个较大的宏观系统的例子。换句话说，量子理论允许宏观尺度的混合态，所以量子理论这次又赢了。

量子理论的影响范围确实可以涵盖从原子的小尺度到宏观系统的大尺度。比如在一种被称为“超导”的量子现象中，特定的材料在极低的温度下会变成完美的导体。电流可以无阻地在环路中流动，并且磁体可以永久悬浮在通电的超导环上。同样的例子还有“超流”现象，液氦可以沿着器皿侧壁上下流动，或者从细管中向上喷出一道喷泉然后流回器皿，这个过程可以一直连续地进行并且不消耗任何能量（所谓喷泉效应）。就像神秘的“希格斯机制”使得所有基本粒子获得了质量，量子理论也不允许有例外，也就是说我们最终都变成了同一个盒子中的猫咪了。

过了许多年时光，

忽听得敲门声响，

我想起门没有锁，

我怎能将它锁上。

我旋即吹灭了灯，

轻轻走在地板上，

又悄悄举起双手，

对着门祷告思量。

敲门声又响起来！

我看见窗户洞开，

于是偷偷爬上去，

一闪身跳到窗外。

我转身探进脑袋，

喊了一声：进来！

管它敲门的是谁，

有什么可以奇怪。

就这样一声门响，

我居然跳了出来，

投身不锁的世界，

随岁月漂流在外。

——罗伯特·弗罗斯特《无锁之门》[16]