薛定諤的貓——捋一下量子物理的曆史

     假如將一隻貓置於一個密閉的盒子內，裏麵安放了一個在一定時間裏有50%幾率毒死貓的裝置，當到達這個時間後貓是活的還是死的？常識告訴我們貓不是活的就是死的，但是根據量子物理，在打開盒子之前貓既是活的也是死的，也就是貓處於生與死的疊加狀態（superposition)。換句話說，在那個打開盒子的事件發生之前，貓是以多種可能性的波函數的形式存在的。當盒子被打開的事件發生後，它才變成了一個確定的對象。這就是著名的思想實驗“薛定諤的貓”。網上訛傳這是薛定諤為了諷刺量子疊加而做的思想實驗，然而兩個波函數滿足同一薛定諤方程，那麽它們的線性疊加也滿足相同的薛定諤方程，是薛定諤方程描述的該微觀係統中的一個可能的量子狀態，這就是量子態疊加原理。薛定諤隻是不同意哥本哈根量子學派中把“觀察”變成一個神秘的變量(下麵還會講到觀測者原理)，並不是否定疊加原理。

      疊加態原理是量子力學中一個基本原理，而量子力學是描述微觀物質的理論，與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱。它們研究的是光，什麽是光？早期關於光的研究分為兩個派別，在300多年的時間裏波動派和粒子派爭論不休。最早是由荷蘭物理學家惠更斯提出光的波動理論，他解釋了光波如何形成波前直線傳播，但是該理論不能解釋光波穿過孔徑或狹縫時會偏離直線的衍射效應。後來牛頓又提出了光的微粒說，牛頓認為光是由微小的粒子組成，這樣他能很容易解釋反射現象，但是對於光的折射（refraction）與衍射（diffraction）性質，牛頓的解釋也無法讓人滿意。不過由於牛頓無與倫比的學術地位，他的粒子理論在一個多世紀內無人敢於挑戰。

       直到1801年，托馬斯·楊發明了大名鼎鼎的楊氏雙縫幹涉實驗。這個實驗非常簡單，就是將一束光穿過兩條縫隙，再觀測它的投影。如果光是粒子，投影就會出現兩條豎杠，如果光是一種波，那投影就會出現類似水波的幹涉條紋。托馬斯·楊的實驗結果證實了光具有波動性質，因為光的投影是明顯出現了幹涉條紋。但是光波派和粒子派還是爭論不休，雙方都有一套理論和證據，誰也說服不了誰。

      1900年德國物理學家普朗克提出輻射量子假說，發現黑體輻射定律，首次提出了能量的不連續性，從此打開了量子力學的大門。1905年愛因斯坦引進光量子的概念成功地解釋了光電效應，人們開始意識到光具有波和粒子的雙重性質。光電效應是人類在理解量子世界的道路上邁出的第二步，愛因斯坦也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學獎，注意愛因斯坦得諾貝爾獎是因為量子力學而不是相對論。1909年匈牙利出生的美國物理學家泰勒設計並完成了一個非常精製的單光子雙縫實驗。將一顆一顆的光子發射到一塊擋板的兩條縫隙，按理說單顆的光子應該會在雙縫後麵的投射屏上形成兩條豎杠，但投射屏上卻出現了波性質的幹涉條紋，因此這個實驗沒有解開波動派和微粒派的矛盾。後來微觀探測器的發明再一次升級了這個實驗，就是在雙縫的旁邊放上攝像頭，觀測光子到底經過了哪條縫隙，這時發現每個光子都是隻經過了左縫或右縫，並且在投射屏上形成了粒子性質的兩條豎杠。但是把攝像頭關閉後，投射屏又出現了波性質的幹涉條紋，也就是光是波還是粒子是由觀測或不觀測決定的，這個現象就是量子力學的觀測者原理。丹麥物理學家玻爾和德國物理學家海森堡提出了哥本哈根詮釋來解釋量子力學，玻爾認為微觀世界的本質就是不確定的，不能用宏觀世界的決定論去理解量子世界。

      量子力學還有一個令人不可思議的就是量子糾纏現象（entanglement）。如果兩個粒子的特性類似且距離夠近它們就會發生糾纏，然後不管將這兩個糾纏狀態的粒子分開多遠，即使將其中一個放在月球，隻要觀測其中一個如果它的自旋向上，那麽另外一個必然向下，而在沒有觀測之前則是處於向上或向下的疊加態，並且它們之間的這種互動相互聯係是超越時間和空間的。網上有人說愛因斯坦不能接受量子理論，說什麽他堅持認為客觀世界一定遵循決定論並告訴玻爾上帝不會擲骰子。其實這是訛傳，如果愛因斯坦不支持量子物理，他怎麽會因為光電效應而獲得諾貝爾獎？當你擲出一個骰子，它在旋轉的時候就像一個量子疊加的狀態。在量子領域，這個骰子永遠處於旋轉狀態，而人們的觀測就像是你用手去拍這枚骰子使它停止旋轉的動作。玻爾等人相信，當我們去觀測這些微粒子的時候，它們就會從疊加態坍縮到本征態，也就是有一個確定的屬性。愛因斯坦不能接受量子力學中的糾纏理論，認為它違反了相對論所設定的對於信息傳遞的速度的極限，也就是光速。愛因斯坦認為沒有東西可以違背局域性原理，就是一個地方發生的事件不可能超光速影響到另外一個地方，他譏諷量子糾纏為鬼魅般的超距作用，他確信量子理論並不完整，一定是存在什麽隱藏的變量。愛因斯坦認為電子糾纏狀態是在它們分開的時候就確定好了的，不存在遠程聯係。怎麽用實驗證明孰是孰非呢？後來還出現了一個關鍵性的人物，他就是愛爾蘭物理學家約翰·貝爾，他比較讚同愛因斯坦的觀點，以玻爾為首的哥本哈根派的理論是錯的。但是他的想法卻被自己提出的貝爾不等式推翻了。

      在薛定諤提出神秘的量子糾纏89年後（薛定諤是1933年諾貝爾物理學獎得主）2022年諾貝爾物理學獎授予奧地利物理學家安東·蔡林格，他與法國的阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect)和美國的約翰·克勞澤（John Clauser)分享了該獎項。該獎項是對實驗量子物理學和量子糾纏領域傑出成就的認可。他們的實驗證明，糾纏量子粒子之間的聯係不是由於局部的“隱藏變量”這些未知因素將兩種結果無形地聯係在一起的。相反，糾纏結果形成了一種真正的聯係，在這種聯係中，操縱一個量子物體會影響另一個量子物體，不管他們分離的距離如何。這個實驗基本證明了愛因斯坦是錯誤的，也是必將量子糾纏從理論推向應用的裏程碑。

     量子糾纏很難被理解但這就是微觀世界的運行規律。試想一下如果人像微觀粒子一樣運動，你真的能穿越時空，充滿了無數可能性。然而我們每個人包括整個宇宙都是由原子和粒子構成的，為何我們感覺都處於一個確定的狀態？有些人便提出了平行世界的概念，認為無數種可能性都真實發生在無數個平行世界之中，也有科學家提出超弦理論，認為量子糾纏就是粒子在高維空間的三維投影，也就是相互糾纏的粒子在高維空間中本來就是一個整體，隻是投影到了三維空間中的不同位置。這些概念現在都無法得到驗證，或許現實世界的真相比我們所想的更加宏偉，有太多的不可思議和神秘等著科學家們去解答。