量子和粒子物理學何以解釋一切

第6章 盒子與貓

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丹麥路徑

隨著觀察越來越多、方程式越來越準確,兩個陣營誕生了。對於如何處理這種離奇的現象,雙方各執一詞。

第一個陣營是想要了解量子力學本質的哲學家,比如愛因斯坦、薛定諤和德布羅意。

第二個陣營是想要不考慮它的真正含義而直接使用量子力學的數字玩家,其中最著名的是在哥本哈根工作的玻爾與海森堡。

海森堡在1930年寫了一本書,叫《量子論的物理原理》(The Physical Principles of the Quantum Theory),書中總結了多年來他與玻爾一直在醞釀的觀點。海森堡稱之為“das Copenhagen giest”,字麵意思是“哥本哈根幽靈”,盡管“靈魂”或“精神”這樣的詞更符合他的本意。恐怕量子力學並不能完全證明幽靈的存在,盡管它確實為死而複生提供了一個很好的理由(請往下看)。

量子力學的“哥本哈根詮釋”是一種實用主義的觀點,它認為物理學的深層定律與人類經驗大相徑庭,所以我們永遠無法理解。

它主張,就像光的顏色可以混合形成白色一樣,粒子的屬性也可以混合形成一種“疊加態”,在這種狀態中,粒子既不上旋,也不下旋,既不存在於此處,也不存在於彼處。它既是一切,也是虛空。

用海森堡自己的話來說:“粒子本身並不真實,它們構成了潛在性與可能性的世界,而非事物與事實的世界。”[1]

粒子並不在乎它們對我們是否有意義,也不會屈服於我們人類的極限,所以我們別無選擇,隻能從表麵理解。你要麽愛上你所看到的,要麽尖叫著跑開。波函數以一種半真半假的方式波動,測量改變了它們。關於這個問題再沒什麽好說的了。討論結束。

總結

玻爾和海森堡相信這種觀點,但令人惱火的是,他們從未闡明所有的細節。有時你可以得出特定的解,但就像量子粒子本身一樣,如果它們願意,就可以讓事情變得模糊。下麵簡單總結了他們二人相信的觀點。

不被測量時,大自然處於多種狀態(或沒有狀態),叫作“疊加態”。而在測量時,我們像打蒼蠅一樣把這種疊加態拍在牆上,迫使它成為某種事物。

薛定諤方程告訴我們可能的測量結果,但在確實發生以前,一切都是未知的。在事件發生的時候,我們說疊加態“坍縮”成一種狀態,就像一個泡泡被戳破那樣,最終得到的是一個普通版的粒子,有時我們稱之為粒子的“本征態”。這是我們在經典物理中使用的方法,但在測量之前,我們必須使用概率波。

我們也不可能預測粒子的波函數會坍縮成哪種本征態,因為宇宙還沒有決定。我們隻能測量,看看會發生什麽。這就是玻爾和海森堡夜晚睡覺的方式。

對很多人來說,哥本哈根詮釋是一場卑劣的騙局。它什麽都解釋不了,隻是告訴你要滿足於無知。批評家稱之為“少廢話,去計算”[2],因為它回避了直覺,不由分說地讓人盲目地使用這些方程,這給人的感覺很不好。而且,哥本哈根詮釋所引發的問題也是相當深刻的:

(1)為什麽粒子可以處於多種狀態或沒有狀態?

(2)為什麽測量使粒子陷入本征態?

(3)為什麽結果是隨機的?

(4)為什麽我們不能同時知道所有的性質?

(5)如果粒子不遵循簡單的經典定律,為什麽日常世界會遵循?

哥本哈根詮釋對這五個問題的回答都是聳聳肩,說:“就是這麽回事。”有些人不能接受這種說法,尤其是愛因斯坦。

夠了!

愛因斯坦和玻爾有著複雜的兄弟情誼。他們尊重對方的智慧,卻在量子力學上針鋒相對。他們在參加的每一場會議中都發生了激烈的爭論,他們私下或公開寫了很多信,指出對方犯了多麽嚴重的錯誤。

在一封寫給玻恩的著名的信中,愛因斯坦說他不能接受這樣一種使大自然變得隨機的理論,並這樣結尾:“這個理論說了很多,但並沒有讓我們更接近舊理論的秘密。無論如何,我相信上帝不擲骰子。”[3]這裏的“舊理論”,是愛因斯坦用來代指無人格的上帝。

海森堡是他們的好朋友。根據他的說法,在聽到愛因斯坦堅稱上帝不擲骰子時,玻爾這樣回應:“我們不應該規定上帝該如何管理世界。”[4]

月亮,美麗的

愛因斯坦之所以反對哥本哈根詮釋,主要是因為他認為物理學的目的在於弄清楚事物運作的原理。大自然通過量子力學告訴我們一些東西,我們必須弄清楚。在愛因斯坦看來,當事情變得有趣時,玻爾卻放棄了。

亞伯拉罕·派斯是哥本哈根詮釋的支持者。在一次激烈的爭論中,愛因斯坦指出了測量問題的愚蠢之處,他質問派斯,是否相信不看月亮時月亮就不存在。[5]在哥本哈根詮釋中,事物要先被觀察,然後才有明確的屬性。所以,如果沒有人觀察月亮,那麽嚴格來說月亮的波函數就是疊加態,同時處於各個地方與各種狀態。

問題是,愛因斯坦的反對基於直覺,而非基於證據。僅僅因為我們樂於相信不觀察的時候月亮也存在,並不能證明事實就是如此。為什麽月亮不會在沒人測量的時候消失呢?你能證偽這一點嗎?

在玻爾看來,人類思維之所以進化,是為了在非洲平原上尋找漿果,而不是研究高等物理學。我們遲早會撞上一堵牆。一個人想要理解量子力學,就像一個家用恒溫器想要理解詹姆斯·邦德係列電影《007:大破量子危機》(Quantum of Solace)。想想看,讓恒溫器像一個真實的人一樣去理解《007:大破量子危機》的情節,簡直是不可能的。

這些爭論逐漸變為了街談巷議,愛因斯坦開始走下坡路,人們小心翼翼地為玻爾的勝利歡呼。在一些資料裏,愛因斯坦被無情地描述成一位大談著當年科學有多麽好的過時的偉人,已經離開了物理學的前沿。

這可能會給人一種滿足感,因為人們喜歡知道愛因斯坦也有極限,但實際上他非常了解量子力學。這就是為什麽他竭力從中找毛病—他知道量子力學究竟是什麽。

薛定諤那聲名狼藉的僵屍貓

玻爾把愛因斯坦的上帝骰子和突變月亮視為情緒上的反對,對科學事實沒有任何影響。後來,薛定諤決定要挑戰哥本哈根詮釋的統治地位。

我喜歡想象這樣的畫麵:薛定諤整理領結,卷起袖子,把愛因斯坦從摔跤場上拉下來,在場邊一小群啦啦隊員的支持下,薛定諤對愛因斯坦說:“退後,阿爾伯特,換我拿下這一場。”

薛定諤決定走一條不同的路,他沒有攻擊“測量”,而是攻擊“疊加”。1935年11月,薛定諤在《自然科學》雜誌上發表了一篇文章,提出了今天眾所周知的“薛定諤的貓”悖論。他認為,這篇文章可以一勞永逸地打擊哥本哈根詮釋。

想象把一隻貓關在密閉的鐵盒子裏,然後離開一小時。在鐵盒子裏,一個蓋革計數器可以檢測旁邊的放射性物質是否發射出粒子。我們不可能預測一個小時後是否會發射出粒子,但我們可以選擇一種材料,其波函數表明,該物質一小時後發射出粒子的可能性為50%。

粒子在原子內的可能性是50%,隧穿出來擊中探測器的可能性也是50%。現在到了有趣的地方。蓋革計數器連接著一個殘忍的裝置,它能讓一隻錘子落下來,打碎貓旁邊的一瓶氫氰酸。

根據哥本哈根詮釋可知,粒子同時采取兩種選擇,即處於原子核內與原子核外的疊加態。因此,錘子既落下了又沒有落下,這意味著裝有氫氰酸的瓶子既破碎又完好,而貓既死了又活著。如果認真思考哥本哈根詮釋,你就必須接受一些荒謬的東西。疊加態一定是錯的。

我不知道薛定諤為什麽不用飛鏢,或者其他讓貓安樂死的東西,而是選擇在幾分鍾內通過酸浴慢慢地腐蝕貓。薛定諤真是個怪人。

我也不知道薛定諤為什麽選擇貓。他的確養了一隻叫布爾齊的狗[6],還有人說他養了一隻叫彌爾頓的貓[7],但可能是杜撰的。也許有一天早晨,薛定諤正在寫論文的時候,彌爾頓覺得應該在他的書桌上排便,所以薛定諤要讓它永垂不朽。誰知道呢?

有時候,人們錯誤地把薛定諤的貓的實驗描述成“你不知道貓是死是活,所以你不得不從兩個方麵思考”。這沒有切中要害。

哥本哈根詮釋說的是,粒子可以處於疊加態,這意味著任何與之相互作用的物體也可以處於疊加態。打開盒子的時候,你有50%的可能使貓的波函數坍縮成死或者活的本征態,但在打開盒子之前,這兩種狀態同時發生。

這就是為什麽真正做這個實驗是毫無意義的。人們永遠不會觀察到處於疊加態的薛定諤的貓,因為這就是哥本哈根詮釋的觀點—疊加態隨機坍縮成本征態,你測量的是本征態,而不是疊加態。打開現實世界的盒子,你看到的不是死與活的疊加態,而是要麽看到一隻活生生的小貓,要麽看到一團亂麻並為此感到內疚。