作者：牧羊人
愛因斯坦、羅森和波多爾斯基一起寫過一篇文章，質(zhì)疑量子力學(xué)完備性，題目叫作《能認(rèn)為量子力學(xué)對物理實(shí)在的描述是完備的嗎?》。這個(gè)問題以三個(gè)人的名字首字母來命名，叫作EPR問題。E代表愛因斯坦，P代表波多爾斯基，R代表羅森。遠(yuǎn)在歐洲的薛定諤看到這篇論文以后，一個(gè)詞脫口而出——量子糾纏。
這是怎樣一種狀態(tài)呢?我們來大概描述一下。比如一個(gè)不太穩(wěn)定的粒子剛好發(fā)生了衰變，分解成了兩個(gè)粒子，那么為了保持動(dòng)量守恒，分解的這兩個(gè)粒子一定是往兩個(gè)方向走的。一個(gè)往東另一個(gè)必定往西，一個(gè)往南另一個(gè)必定往北。
為啥呢？原先的那個(gè)大粒子假設(shè)是不動(dòng)的，我們死盯著它，在我們看來這個(gè)大粒子的動(dòng)量就是0。即便它衰變了，啪的一聲分解成了兩個(gè)粒子，那么還是要維持動(dòng)量守恒狀態(tài)。分解成了兩個(gè)以后，運(yùn)動(dòng)的方向必定相反，才能動(dòng)量抵消，維持動(dòng)量守恒。
因此你要是在北邊抓到一個(gè)，另一個(gè)必定是往南去了。同樣的道理，角動(dòng)量也要守恒，你要是抓到一個(gè)，一測量，自旋是正轉(zhuǎn)，那么另一個(gè)必定是反轉(zhuǎn)的，不然就不守恒了。
可是按照波爾學(xué)派的意思，沒測量之前一切都沒決定，一切都是疊加態(tài)。好了，也就是說，這兩個(gè)粒子在測量之前，根本就沒決定誰是正轉(zhuǎn)誰是反轉(zhuǎn)，都處于疊加態(tài)，就等著你來觀測。你抓住一個(gè)一看，這個(gè)粒子就決定下來了。比方說是正轉(zhuǎn)的，那么就在此時(shí)此刻，另一個(gè)粒子不管距離多遠(yuǎn)都會(huì)立即決定是反轉(zhuǎn)。反正這兩個(gè)家伙必須是相反的，為了維持角動(dòng)量守恒。
那好，假如是你觀測的那一瞬間才決定的，那么另一個(gè)粒子也需要在同一時(shí)刻決定下來。不管距離有多遠(yuǎn)，哪怕遠(yuǎn)在宇宙另一端，也會(huì)立即響應(yīng)，術(shù)語叫波函數(shù)坍縮。
玻爾發(fā)現(xiàn)EPR論題相當(dāng)奧妙，需要周詳?shù)乃伎?，他立刻放下手里所有其他工作，專心研究EPR論題，同年完成反駁論文。玻爾一眼就看出了其中的問題，愛因斯坦他們幾個(gè)對于這件事的描述是靠譜的，也就是說這種兩個(gè)粒子糾纏在一起不能分割的推導(dǎo)是沒有問題的。在玻爾看來就是這么回事，沒有啥可大驚小怪的，關(guān)鍵問題是愛因斯坦的哲學(xué)觀念還是經(jīng)典的觀念，即一切都是確定的，他不能接受哥本哈根學(xué)派的幾率解釋。因此玻爾也寫了一篇論文來回?fù)魫垡蛩固埂?/p>
玻爾直接拿了愛因斯坦文章的題目，說白了他們倆寫的論文題目完全一 樣，也叫《能認(rèn)為量子力學(xué)對物理實(shí)在的描述是完全的嗎?》。玻爾在文章中給出的答案當(dāng)然是肯定的，量子力學(xué)就是完備的。愛因斯坦的思路完全是經(jīng)典的，總認(rèn)為有一個(gè)離開觀測手段而存在的實(shí)在世界。這個(gè)世界圖像和玻爾代表的哥本哈根派的“觀測手段影響結(jié)果”的觀點(diǎn)完全不一致。
玻爾認(rèn)為，微觀的實(shí)在世界，只有和觀測手段連起來講才有意義。在觀測之前并不存在兩個(gè)客觀獨(dú)立的粒子，只有波函數(shù)描述的一個(gè)互相關(guān)聯(lián)的整體。既然只是協(xié)調(diào)相關(guān)的一體，它們之間無須傳遞什么信號!因此，EPR佯謬只不過是表明了兩派哲學(xué)觀的差別——愛因斯坦的“經(jīng)典局域?qū)嵲谟^”和玻爾一派的“量子非局域?qū)嵲谟^”的根本區(qū)別。
薛定諤一看愛因斯坦出手還壓不住哥本哈根學(xué)派。人家哥本哈根學(xué)派的基本觀點(diǎn)是，微觀世界的事跟宏觀世界不是一回事。微觀世界遵循的就是這種不確定性的規(guī)律。薛定諤說，好，我給你們找點(diǎn)兒麻煩，他洋洋灑灑地寫了一大篇東西叫作《量子力學(xué)的現(xiàn)狀》。他在第五章里面描述了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。薛定諤把微觀世界的問題拿到宏觀世界來，設(shè)想了一只疊加態(tài)的貓。
薛定諤是這么描述的，把一只貓放進(jìn)一個(gè)封閉的盒子里，然后把這個(gè)盒子連接一個(gè)裝置，其中包含一個(gè)原子核和毒氣設(shè)施。設(shè)想這個(gè)原子核有50%的可能性發(fā)生衰變，衰變時(shí)發(fā)射出一個(gè)粒子，這個(gè)粒子將會(huì)觸發(fā)毒氣設(shè)施，從而殺死這只貓。
根據(jù)量子力學(xué)的原理，未進(jìn)行觀察時(shí)，這個(gè)原子核處于已衰變和未衰變的疊加態(tài)，因此，那只可憐的貓就應(yīng)該相應(yīng)地處于“死”和“活”的疊加態(tài)。非死非活，又死又活，狀態(tài)不確定，直到有人打開盒子觀測它。
總之，薛定諤的意思就是惡心一下哥本哈根學(xué)派的那幾位。如果你們將波函數(shù)解釋成粒子的概率波的話，就會(huì)導(dǎo)致一只既死又活的貓的荒謬結(jié)論。后來霍金聽說這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的時(shí)候十分氣憤，他說:“當(dāng)我聽說薛定諤的貓的時(shí)候，我就想跑去拿槍，一槍把貓打死!”
這說明，哪怕是受過專業(yè)訓(xùn)練的物理學(xué)家，在接受這種量子的不確定性觀念的時(shí)候，仍然很艱難，因?yàn)檫@種東西太過離經(jīng)叛道了，即便是薛定諤和愛因斯坦這種大家也想不開。波函數(shù)可是薛定諤先搞出來的，薛定諤對波函數(shù)坍縮不理解。也難怪有后人評價(jià)，薛定諤不懂薛定諤方程。
觀測微觀粒子世界的量子狀況時(shí)，可以用“詭異”兩個(gè)字來形容。能觀測到也是很神奇的，實(shí)際上是測不到的，不確定性原理說的就是這事，根本測不準(zhǔn)。
關(guān)于薛定諤的貓的三種解釋：
第1種解釋說，在你打開盒子之前，這只貓同時(shí)處于既死掉又活著的一種狀態(tài)。注意，“既死掉又活著”，是一種狀態(tài)，不是兩種狀態(tài)。這是因?yàn)樵犹幱诩人プ冇譀]衰變的狀態(tài)，它連帶著把貓也變成了既死又活的狀態(tài)。
不過，你一打開盒子，這個(gè)奇怪的狀態(tài)就消失了，變成了要么死、要么活。這種解釋就是哥本哈根解釋，它的提出者是以物理學(xué)家玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派。
你肯定覺得這個(gè)解釋特別怪，哪有既死又活的貓呢。薛定諤也這么想。他提出“薛定諤的貓”就是為了反對玻爾的解釋。
他提出了第2種解釋，就是說，“在打開盒子之前，貓要么死了，要么活著，絕不可能處于既死又活的狀態(tài)”。你打開盒子之后，不過就是看到了盒子打開之前的情況。這種解釋聽著就舒服多了。
可是還有人不滿意，你可能還聽說過第3種解釋。它的意思是說，打開盒子之前，貓確實(shí)既死又活。但在你打開盒子的那一剎那，我們所在的宇宙分裂了，變成了兩個(gè)不同的宇宙。其中一個(gè)宇宙中的你，看到了活貓；另一個(gè)宇宙中的另一個(gè)你，看到了死貓。兩種概率各占50%。這叫平行宇宙解釋，它的提出者是物理學(xué)家費(fèi)曼的師弟，艾弗雷特三世。
這個(gè)解釋聽起來很無厘頭，但它滿足了量子力學(xué)的一條基本假設(shè)，叫“信息守恒”，信息無論如何都不能丟失。所以艾弗雷特認(rèn)為，“既死又活”的信息必須是守恒的。你要是只看見活貓，那么另一半關(guān)于“死貓”的信息就一定存在于某個(gè)地方，比如說，在另一個(gè)宇宙里。因?yàn)檫@個(gè)宇宙跟我們沒有聯(lián)系，我們互相也不知道，所以就把它叫平行宇宙。平行宇宙這個(gè)解釋就這么出現(xiàn)了。
對一般大眾來說，平行宇宙這個(gè)說法腦洞特別大。還有一個(gè)宇宙，還有你，還有我，只是故事的情節(jié)跟我們不一樣，這多好玩啊。所以好萊塢大片也特別愛拿這個(gè)解釋說事，很少去追溯背后的科學(xué)邏輯。
當(dāng)然，這還只是我們常見的3種解釋。剩下幾種解釋也一樣。公說公有理，婆說婆有理，它們都是在實(shí)驗(yàn)看不見的地方說事，而且各自都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
作者簡介
牧羊人
天津市天文學(xué)會(huì)會(huì)員、天津科技館科普輔導(dǎo)員，曾組織過多次天文觀測活動(dòng)，并為天文科普工作做出微小貢獻(xiàn)。
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