薛定谔的猫——生死未卜

☉ 杨建邺

世界上大约有两只猫天下闻名。一只是英国作家卡罗尔写的《爱丽丝漫游奇境》里的柴郡猫，一只是“薛定谔的猫”。前者可能更加有名，因为它出现在风靡全球的童话小说中。薛定谔的猫也许一般人不太知道，实际上这只猫比柴郡猫更加古怪，在科学界可是闻名遐迩，声震四方。它的出现曾经引起过科学界巨大的震撼，让所有过世的和在世的物理学家都曾经和仍然继续陷入一片混乱之中。下面就先从它的出世讲起。

薛定谔的猫

由前面几章讲到的内容可知，爱因斯坦和薛定谔都反对量子力学的正统诠释，所以相互之间也经常就量子力学问题交换意见。薛定谔认为他的方程中的波函数是对实在的描述，爱因斯坦不同意这一观点，他认为波函数只能描述系统的行为，而不能描述个体的状态，而这正是量子力学不完备之处。为了说服薛定谔，爱因斯坦还提出一个“炸药佯谬”。爱因斯坦假定有一包炸药，在一定的时间里可能随时爆炸。在没有爆炸之前，描述这包炸药的波函数表示的是已爆炸和未爆炸炸药的不确定状态的迭加。但是，炸药要么已经爆炸，要么还没有爆炸，不可能处于“不确定”状态。因此爱因斯坦说：“我们不能把波函数看做是对实在的充分的描述。”

薛定谔受了爱因斯坦的启发，不久就在德国《自然科学》杂志上，发表了《量子力学的目前情形》一文，对正统观点再次提出批评。文章由三部分组成。他用嘲讽的风格写道：他不知道是将这篇文章称为“报告”还是称为“一般声明”，语气中暗示了他认为“目前的状况”不尽如人意。

最有意思的是，文中薛定谔设想了一个量子猫实验，这一实验就是此后无人不知的“薛定谔的猫”的实验。因为原文不太好懂，我们用简单明了的文字介绍如下：

在一个盒子里，用一个放射性原子的衰变来触发一个装有毒气的瓶子的开关，毒气可以毒死一同在盒子里的猫。我们知道，按哥本哈根学派的诠释，放射性原子的衰变可以用波函数来描述。当用波函数描述不同状态的组合时（如放射性元素“衰变了”或“没有衰变”这两种状态的组合），我们称之为“波的迭加态”；在没有打开盒子时，放射性原子进入了衰变与不衰变的迭加态，由此猫也成了一只处于迭加态的猫，即又死又活、半死半活、处于地狱边缘的猫。

正像哈姆雷特王子所说：“是死，还是活，这可真是一个问题。”只有当你打开盒子观察的一瞬间，迭加态突然结束(数学术语就是“坍缩”)，哈姆雷特王子的犹豫才终于结束——我们知道了猫的确定态：死，或者活。哥本哈根学派的几率诠释的优点是：只出现一个结果，这与我们观测到的结果相符合。但是有一个大的问题：它要求波函数突然坍缩。但物理学中没有一个公式能够描述这种坍缩，而且这种瞬时的突然坍缩与相对论也不相符合。尽管如此，长期以来物理学家们出于实用主义的考虑，还是接受了哥本哈根学派的诠释。付出的代价是：违反了薛定谔方程。这就难怪薛定谔一直耿耿于怀了。

哥本哈根诠释在很长一段时间里成了“正统的”、“标准的”诠释。但那只不死不活的猫却总是像《爱丽丝漫游奇境》里的柴郡猫一样在空中时隐时现，让物理学家们不得安宁。

正统诠释一再劝说人们：对于量子世界，不要相信我们的常识，而要相信我们直接看到的或者用实验设备准确测量到的，对于这一点我们是有把握的。如果不进行测量，我们就不知道盒子中发生了什么。所以盒子中的猫是死是活，正统派的物理学家并不在意，他们只关心测量，对于没有测量的猫处于迭加态中的哪一态，他们不感兴趣，而且认为讨论这个问题实在没有意义。

1936年3月，薛定谔见到玻尔（哥本哈根学派的代表人物）时又交流了关于量子力学的看法。后来薛定谔在给爱因斯坦的信中谈到这次谈话：“玻尔对于劳厄和我，尤其是你，利用已知的佯谬来反驳量子力学的哥本哈根诠释，感到十分震惊……在他看来，哥本哈根诠释不仅在逻辑上无懈可击，并且在经验上已经被大量的实验所证实。他认为我们似乎在强迫大自然接受关于实在性的先入之见。”

“薛定谔的猫”佯谬还有一个令正统诠释派感到困惑的地方：盒子里的猫是“什么时候“从又死又活的迭加态突然坍缩（或转变）为我们所知道的或死或活的状态呢？这是一个更严重的困惑和麻烦，甚至引起正统派内部的不同意见。

我们可以这样设想：在薛定谔的盒子里放一个摄像机，作为一种测量仪器，摄像机可以测量出猫什么时候是死是活，但在盒子没有打开之前，对于人来说，猫仍处于迭加态又死又活。猫到底什么时候或死或活，仍然让人困惑。海森伯说，只有“观察者”（即人）才能够使得波函数坍缩，从而把猫从又死又活的迭加态中解放出来。这也就是说只有观察者的“上帝之眼”才能把一个“量子猫”变成“经典猫”。但玻尔则不同意海森伯“上帝之眼”的观点，他认为测量只需要经典仪器就行了，与观测者没有关系，经典仪器就足以解救这只量子猫，使它或死或活地成为经典猫。

海森伯和玻尔不同的意见，引出了更麻烦的问题：谁才有资格作为“观察者”呢？而且，玻尔这种必须考虑整个实验、波函数坍缩的方式取决于所有的实验设备的说法，似乎告诉我们，测量设备比我们要观察的东西更重要，因为被观察的东西仅仅在被观察的时候才是真实的。即使在20世纪30年代，许多物理学家也都认为这是不可思议的。

但哥本哈根诠释已经摇摇晃晃地存在了近七十年。从上世纪30年代到80年代，大多数物理学家都同意这种诠释，因为它的确是可以用来预测实验的一个实用的工具。但在80年代以后，物理学家中有一些人对关于量子论究竟意味着什么的诠释，产生了越来越多的不满意。主要的问题仍然与薛定谔的猫（即波函数的坍缩）有关系。

量子力学的多世界诠释

1997年7月，在英国剑桥大学牛顿研究所举行的量子计算会议上，有人曾对参加会议的人做过一次非正式的调查。调查的结果明确显示，主流的观点正在发生变化。在接受调查的90位物理学家中，只有8人保持哥本哈根正统诠释观点，有30人接受“多世界诠释”，还有50人选择的是“不赞同上述任何观点或者未拿定主意”。对此，美国物理学家惠勒在2001年2月号《科学美国人》上发表的文章《量子之谜百年史》中写道：“这次调查清楚地表明，该是更新量子力学教科书的时候了。……坍缩概念作为一种计算工具毫无疑问仍将有很大的用处，但是，如果再加一句提醒，说明它可能并不是一种违背薛定谔方程的基本过程，那就有助于精明的学生免遭长时间的摸不着头脑之苦。”

现在回到“多世界诠释”：它是量子力学中诸多诠释中的一种，它是惠勒的学生艾弗瑞特（1930-1982）在1957年提出的，开始物理学界反应极其冷淡，到了80年代以后才逐渐引起重视。

艾弗瑞特毕业于美国天主教大学化学工程专业。20世纪50年代，他改变了专业，到普林斯顿大学攻读理论物理博士学位，导师是著名的理论物理学家惠勒。惠勒是一位热情洋溢、好奇心极强而且“胆大包天”的物理学家，他鼓励他的学生提出看似“疯狂”和“推向极致”的观点。

艾弗瑞特在这种强烈创新氛围中，开始了他辉煌的研究。经过对哥本哈根学派正统诠释做了充分的独立思考后，他逐渐形成了自己的观点。他认为正统诠释中波函数的坍缩是一种没有必要的观念，可以通过他的多世界诠释去掉。

1957年，艾弗瑞特提出的“多世界诠释”似乎为人们带来了福音，虽然由于它太离奇，一开始没有人认真对待。英国物理学家格利宾认为，多世界诠释有许多优点，它可以代替哥本哈根诠释。我们下面简单介绍一下艾弗瑞特的多世界诠释。

在波函数的迭加态没有坍缩之前，在处于迭加态的观测者看来，每一个态都可以看成是一些备选的平行世界。以薛定谔的猫来说，艾弗瑞特指出两只猫都是真实的。有一只活猫，有一只死猫，但它们位于不同的世界中。问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变，而在于它既衰变又不衰变。当我们向盒子里看时，整个世界分裂成它自己的两个版本。这两个版本在其余的各个方面都是相同的。唯一的区别在于其中一个版本中，原子衰变了，猫死了；而在另一个版本中，原子没有衰变，猫还活着。

也就是说，上面说的“原子衰变了，猫死了，原子没有衰变，猫还活着”这两个世界将完全相互独立地平行演变下去，就像两个平行的世界一样。这听起来就像科幻小说，然而它是基于无懈可击的数学方程，基于量子力学朴实、自洽和符合逻辑的结果。

这个诠释的优点是：薛定谔方程始终成立，波函数从不坍缩，由此它简化了基本理论。它的问题是：设想过于离奇，付出的代价是这些平行的世界全都是同样真实的。这就难怪有人说：“在科学史上，多世界诠释无疑是目前所提出的最大胆、最野心勃勃的理论。”

艾弗瑞特把以上观点写成了博士论文，惠勒对这篇论文很赞许，论文的预印本在1956年初已经在一些同行中传闻。1957年1月，艾弗瑞特在北卡罗莱纳大学的一次物理学会议上宣读了他的这篇论文，不久后在1957年7月号《物理评论》上发表了论文的简介。

不幸的是，虽然有惠勒的推荐和简短介绍，但艾弗瑞特的新诠释公布之后，物理学界的反应还是出乎意料地冷淡，据说艾弗瑞特曾经到哥本哈根去会见玻尔，对人一贯热情、关爱和有宽容心的玻尔没有见他。正统派的物理学家几乎完全拒绝了多世界诠释，漠然置之。

艾弗瑞特遭到学术界如此冷漠的对待，大失所望，于是在获得了博士学位以后就决然离开了物理学界。

1968年，惠勒的一个同事和量子引力理论的主要奠基人之一布赖斯·德威特和他的学生格拉罕姆写了一系列文章，介绍和发展了艾弗瑞特的多世界诠释，这才使得艾弗瑞特的理论重见天日。到了20世纪80年代，物理学家们对多世界诠释越来越重视，这使得艾弗瑞特有心重新返回物理学界，对量子力学中最基本的测量问题进行更深入的研究。可惜他是个不爱运动的“老烟枪”，竟于1982年因心脏病而英年早逝。

格利宾在他1995年写的《寻找薛定谔的猫：量子物理和真实性》一书中写道：“在量子的多世界中，我们通过参与而选择出自己的道路。在我们生活的这个世界里，没有隐变量，上帝不会掷骰子，一切都是真实的。”

按照格利宾所说，爱因斯坦如果还活着，他也许会同意并大大地赞扬这一个“没有隐变量，上帝不会掷骰子”的多世界理论。

我们也许记得，在20世纪20年代，有一位物理学家声称他有一个理论可以解决量子理论的基本问题时，玻尔说：“你的理论的确美妙，但是还没有美妙到真实的程度。”格利宾现在认为，艾弗瑞特的理论“确实已经美妙到真实的程度，在寻找薛定谔的猫方面，这个理论可以给出一个合适的答案”。由此可见格利宾对艾弗瑞特的多世界诠释抱有多么大的信心。

但是，尽管艾弗瑞特的多世界诠释有非常吸引人的地方，但也存在几个问题。首先，如果这些分开的世界不能发生相互作用，那么非常清楚的是，没有任何办法能够检验艾弗瑞特的说法。其次，测量的问题虽然解决了，但是没有带来新的预言。因此这个理论看起来不能令人满意。甚至约翰·惠勒最后也总结说，艾弗瑞特的观点只能提供一些想法。这个理论的详细公式体系也有很大的问题。费曼担心，在这些不同的世界当中，应该有很多份我们自己的拷贝。我们的每一个拷贝都知道世界是怎么因我们而分裂的，因此我们就可以往前追溯我们的过去。当我们观察我们过去的行踪的时候，观察结果是不是和一个“置身事外的”观察者得到的结果一样“真实”呢？更进一步，虽然在我们观察自身之外的世界的时候，我们可能把自己当成“外面的”观察者，但是我们之外的世界包括别的观察者也在观察我们呀！我们会不会就以为我们看见的东西总是有一致的观察结果呢，就像费曼说的：“可以有很多很多的推测，讨论这些东西并没有什么用处。”

物理学家们也都知道，还有许多技术上的难题等待他们去解决。但是正如格利宾所说：

我们要么不得不接受哥本哈根诠释，连同那幽灵般的现实的和半死半活的猫；要么接受艾弗瑞特的多世界诠释。当然，可以认为科学市场上“最好的家伙”都是不正确的；这两种选择都是错的。关于量子力学的现实，可能还有另一种解释，它能解决哥本哈根诠释和艾弗瑞特的诠释已经解决的所有问题……但是如果你认为这是一个轻松的选择，一条容易走出困境的路，那么你必须记住：任何这种“新的”解释都必须能够解释自从普朗克在黑暗中取得突破以来的所有成就；在解释万物方面，它必须与目前这两种理论一样好，或者更好。的确，守株待兔似地等待某人对我们的问题提出一个好的答案，这不是科学的态度。在没有更好的答案的情况下，我们就不得不正视目前能得到的最好答案。

因为同样的理由，很多物理学家对多世界诠释很有兴趣，并且抱有信心，其中包括著名的物理学家费曼、盖尔曼、霍金等人。

这些物理学家既肯定了艾弗瑞特的诠释，也提出了一些改进的意见。目前，许多物理学家认为多世界诠释的确是一个具有独创性和革命性的看法。我国量子哲学研究者和超光速通信研究专家高山认为：多世界诠释“否定了一个单独的经典世界的存在，而认为实在是一种包含有很多世界的实在，它的演化是严格决定论的”。

但是，多世界诠释仍然有许多重大问题无法解释，因此，物理学家们对待多世界诠释也不是都表示赞成或者放心，反对者也不乏其人。还有许多理论不断地在提出。这些对一般读者来说十分奇怪的理论，我们这儿就不能一一介绍了。我想，英国物理学家安东尼·黑和沃尔特在他们写的《新量子世界》一书中说得好：

在我们关于量子测量问题的简单讨论中，只能很肤浅地触及这些争论的表面。我们希望读者不要为观点的繁杂而沮丧，考虑到这些伟大的物理学家之间也有不同意见，你们应该受到鼓舞才对。量子力学不是一本已经完成了的学问，21世纪可能还会有一些惊人的发现在等着我们。