儘管量子論的誕生已經(jīng)過了一個世紀(jì)，其輝煌鼎盛與繁榮也過了半個世紀(jì)。量子理論曾經(jīng)引起的困惑直到21世紀(jì)仍困惑著人們。正如玻爾的名言：“誰要是第一次聽到量子理論時沒有發(fā)火，那他一定沒聽懂。”薛定諤的貓是諸多量子困惑中有代表性的一個。
薛定諤嘗試著用一個思想實驗來檢驗量子理論隱含的不確定之處。
設(shè)想在一個封閉的匣子裡，有一隻活貓及一瓶毒藥。當(dāng)衰變發(fā)生時，藥瓶被打破，貓將被毒死。按照常識，貓可能死了也可能還活著。毒藥瓶上有一個錘子，錘子由一個電子開關(guān)控制，電子開關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動電子開關(guān)，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出裡面的***氣體，貓必死無疑。原子核的衰變是隨機事件，物理學(xué)家所能精確知道的只是半衰期——衰變一半所需要的時間。如果一種放射性元素的半衰期是一天，則過一天，該元素就少了一半，再過一天，就少了剩下的一半。物理學(xué)家卻無法知道，它在什麼時候衰變，上午，還是下午。當(dāng)然，物理學(xué)家知道它在上午或下午衰變的機率——也就是貓在上午或者下午死亡的機率。如果我們不揭開密室的蓋子，根據(jù)我們在日常生活中的經(jīng)驗，可以認(rèn)定，貓或者死，或者活。這是它的兩種本徵態(tài)。如果我們用薛定諤方程來描述薛定諤貓，則只能說，它處於一種活與不活的疊加態(tài)。我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道貓是死是活。此時，貓構(gòu)成的波函數(shù)由疊加態(tài)立即收縮到某一個本徵態(tài)。量子理論認(rèn)爲(wèi)：如果沒有揭開蓋子，進行觀察，我們永遠也不知道貓是死是活，它將永遠處於半死不活的疊加態(tài)，可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理，客觀規(guī)律不以人的意志爲(wèi)轉(zhuǎn)移，貓既活又死違背了邏輯思維。
薛定諤挖苦說：按照量子力學(xué)的解釋，箱中之貓?zhí)庫丁八溃畀B加態(tài)”——既死了又活著！要等到打開箱子看貓一眼才決定其生死。（請注意！不是發(fā)現(xiàn)而是決定，僅僅看一眼就足以致命！）正像哈姆雷特王子（引用自莎士比亞的名言）所說：“生存還是死亡，這是一個問題。”只有當(dāng)你打開盒子的時候，疊加態(tài)突然結(jié)束（在數(shù)學(xué)術(shù)語就是“波函數(shù)坍縮（collapse）”），哈姆雷特王子的猶豫才終於結(jié)束，我們知道了貓的確定態(tài)：死，或者活。哥本哈根的機率詮釋的優(yōu)點：只出現(xiàn)一個結(jié)果，這與我們觀測到的結(jié)果相符合。有一個大的問題：它要求波函數(shù)突然坍縮，可物理學(xué)中沒有一個公式能夠描述這種坍縮。儘管如此，長期以來物理學(xué)家們出於或許實用主義的考慮，還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價：違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿於懷了。
思想實驗告訴我們：除非進行觀測，否則一切都不是確定的，可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理，客觀規(guī)律不以人的意志爲(wèi)轉(zhuǎn)移，貓既活又死違背了邏輯思維。愛因斯坦和少數(shù)非主流派物理學(xué)家拒絕接受由波爾及其同事創(chuàng)立的理論結(jié)果。量子力學(xué)告訴我們，存在一箇中間態(tài)，貓既不死也不活，直到進行觀察看看發(fā)生了什麼。愛因斯坦認(rèn)爲(wèi)，量子力學(xué)只不過是對原子及亞原子粒子行爲(wèi)的一個合理的描述，這是一種唯象理論，它本身不是終極真理。他說過一句名言：“‘上帝’不會擲骰子。”他不承認(rèn)薛定諤的貓的非本徵態(tài)之說，認(rèn)爲(wèi)一定有一個內(nèi)在的機制組成了事物的真實本性。愛因斯坦花了數(shù)年時間企圖設(shè)計一個實驗來檢驗這種內(nèi)在真實性是否確在起作用，但沒有完成這種設(shè)計就去世了。
尋找薛定諤貓
哥本哈根詮釋
哥本哈根詮釋在很長的一段時間成了“正統(tǒng)的”、“標(biāo)準(zhǔn)的”詮釋。那隻不死不活的貓卻總是像惡夢一樣讓物理學(xué)家們不得安寧。格利賓在《尋找薛定諤的貓》中想告訴我們，哥本哈根詮釋在哪兒失敗？以及用什麼詮釋可以替代它？
格利賓
1957年，休·埃弗萊特提出的“多世界詮釋”似乎爲(wèi)人們帶來了福音，由於它太離奇開始沒有人認(rèn)真對待。格利賓認(rèn)爲(wèi)，多世界詮釋有許多優(yōu)點，由此它可以代替哥本哈根詮釋。我們下面簡單介紹一下休·埃弗萊特的多世界詮釋。
格利賓在書中寫道：“埃弗萊特……指出兩隻貓都是真實的。有一隻活貓，有一隻死貓，它們位於不同的世界中。問題並不在於盒子中的放射性原子是否衰變，而在於它既衰變又不衰變。當(dāng)我們向盒子裡看時，整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其餘的各個方面都是全同的。區(qū)別只是在於其中一個版本中，原子衰變了，貓死了；而在另一個版本中，原子沒有衰變，貓還活著。”
也就是說，上面說的“原子衰變了，貓死了；原子沒有衰變，貓還活著”這兩個世界將完全相互獨立地演變下去，就像兩個平行的世界一樣。格利賓顯然十分讚賞這一詮釋，故他接著說：“這聽起來就像科幻小說，然而……它是基於無懈可擊的數(shù)學(xué)方程，基於量子力學(xué)樸實的、自洽的、符合邏輯的結(jié)果。”“在量子的多世界中，我們通過參與而選擇出自己的道路。在我們生活的這個世界上，沒有隱變量，上帝不會擲骰子，一切都是真實的。”按格利賓所說，愛因斯坦如果還活著，他也許會同意並大大地讚揚這一個“沒有隱變量，‘上帝’不會擲骰子”的理論。
這個詮釋的優(yōu)點：薛定諤方程始終成立，波函數(shù)從不坍縮，由此它簡化了基本理論。它的問題：設(shè)想過於離奇，付出的代價是這些平行的世界全都是同樣真實的。這就難怪有人說：“在科學(xué)史上，多世界詮釋無疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論。”
量子相干性
1996年5月，美國科羅拉多州博爾德的國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的Monroe等人用單個鈹離子做成了“薛定諤的貓”並拍下了快照，發(fā)現(xiàn)鈹離子在第一個空間位置上處於自旋向上的狀態(tài)，而同時又在第二個空間位置上處於自旋向下的狀態(tài)，而這兩個狀態(tài)相距80納米之遙！（1納米等於1毫微米）——這在原子尺度上是一個巨大的距離[3] 。想像這個鈹離子是個通靈大師，他在紐約與喜馬拉雅同時現(xiàn)身，一個他正從摩天樓頂往下跳傘；而另一個他則正爬上雪山之巔！——量子的這種“化身博士”特點，物理學(xué)上稱“量子相干性”。
相對解釋
在實驗中，無論是多少概率存活或者死亡，相對於觀測者來說，在未觀測之前，都存在不確定性，即其存在疊加態(tài)。但將參考系建立在實驗對象貓身上，其結(jié)果已經(jīng)確定，是客觀存在的，並非以外界觀測者是否觀測而決定其真實的結(jié)果。
分析上述後得出思考，貓和外界觀測者構(gòu)成兩個相對的參考系，實驗開啓後，以貓爲(wèi)參考系時，其結(jié)果狀態(tài)爲(wèi)客觀真實確定；而以外界觀測者爲(wèi)參考系時，貓存在疊加態(tài)，這種疊加態(tài)不是客觀結(jié)果，而是從未被觀測的狀態(tài)現(xiàn)象。
爲(wèi)了更直觀的理解，將實驗過程視作事件，當(dāng)所選參考系不同時，其不能等同於一個事件。當(dāng)選取以貓爲(wèi)參考系時，命名爲(wèi)A事件，A事件結(jié)束狀態(tài)即貓參考系的狀態(tài)；當(dāng)選取以外界觀測者時，命名爲(wèi)B(tài)事件，未觀測時，B事件尚未結(jié)束，其處於疊加態(tài)。觀測後，B事件結(jié)束，疊加態(tài)坍縮，呈現(xiàn)其最終狀態(tài)。
薛定諤方程
埃爾溫·薛定諤在20世紀(jì)20年代中期創(chuàng)立了現(xiàn)在被稱爲(wèi)量子力學(xué)分支中的一個方程。後來被稱之爲(wèi)薛定諤現(xiàn)六光子薛定諤貓態(tài)
方程：▽2ψ（x，y，z）+（8π2m/h2）[E-U（x，y，z）]ψ（x，y，z）=0
量子理論是20世紀(jì)科學(xué)的重大進展之一，由於量子力學(xué)對傳統(tǒng)觀念所帶來的巨大沖擊，連“量子”的提出者在內(nèi)的科學(xué)家都想盡各種辦法拒絕它，或做出各種調(diào)和性的解釋[4] 。事實上，薛定諤就被量子力學(xué)的結(jié)果弄得心神不安，他不喜歡波粒二象性的二元解釋以及波的統(tǒng)計解釋，試圖建立一個只用波來解釋的理論。
薛定諤貓態(tài)
含義
美國科學(xué)家宣佈，他們成功讓6個鈹離子系統(tǒng)實現(xiàn)了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態(tài)，也就是量子力學(xué)理論中的“薛定諤貓”態(tài)。
根據(jù)量子力學(xué)理論，物質(zhì)在微觀尺度上存在兩種完全相反狀態(tài)並存的奇特狀況，這被稱爲(wèi)有效的相干疊加態(tài)。由大量微觀粒子組成的宏觀世界是否也遵循量子疊加原理？奧地利物理學(xué)家薛定諤爲(wèi)此在1935年提出著名的“薛定諤貓”佯謬。
“薛定諤貓”佯謬假設(shè)了這樣一種情況：將一隻貓關(guān)在裝有少量鐳和***的密閉容器裡。鐳的衰變存在機率，如果鐳發(fā)生衰變，會觸發(fā)機關(guān)打碎裝有***的瓶子，貓就會死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)量子力學(xué)理論，由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就理應(yīng)處於死貓和活貓的疊加狀態(tài)。這隻既死又活的貓就是所謂的“薛定諤貓”。
顯然，既死又活的貓是荒謬的，可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理，客觀規(guī)律不以人的意志爲(wèi)轉(zhuǎn)移，貓既活又死違背了邏輯思維。薛定諤想要藉此闡述的物理問題：宏觀世界是否也遵從適用於微觀尺度的量子疊加原理。“薛定諤貓”佯謬巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯(lián)繫起來，旨在否定宏觀世界存在量子疊加態(tài)。然而隨著量子力學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家已先後通過各種方案獲得了宏觀量子疊加態(tài)[5] 。此前，科學(xué)家最多使4個離子或5個光子達到“薛定諤貓”態(tài)。如何使更多粒子構(gòu)成的系統(tǒng)達到這種狀態(tài)並保存更長時間，已成爲(wèi)實驗物理學(xué)的一大挑戰(zhàn)。
實驗
美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所的萊布弗裡特等人在最新一期《自然》雜誌上稱，他們已實現(xiàn)擁有粒子較多而且持續(xù)時間最長的“薛定諤貓”態(tài)。實驗中，研究人員將鈹離子每隔若干微米“固定”在電磁場阱中，然後用激光使鈹離子冷卻到接近絕對零度，並分三步操縱這些離子的運動。爲(wèi)了讓儘可能多的粒子在儘可能長的時間裡實現(xiàn)“薛定諤貓”態(tài)，研究人員一方面提高激光的冷卻效率，另一方面使電磁場阱儘可能多地吸收離子振動發(fā)出的熱量。最終，他們使6個鈹離子在50微秒內(nèi)同時順時針自旋和逆時針自旋，實現(xiàn)了兩種相反量子態(tài)的等量疊加糾纏，也就是“薛定諤貓”態(tài)。
奧地利因斯布魯克大學(xué)的研究人員也在同期《自然》雜誌上報告說，他們在8個離子的系統(tǒng)中實現(xiàn)了“薛定諤貓”態(tài)，維持時間稍短。
研究意義
科學(xué)家稱，“薛定諤貓”態(tài)不僅具有理論研究意義，也有實際應(yīng)用的潛力。比如，多粒子的“薛定諤貓”態(tài)系統(tǒng)可以作爲(wèi)未來高容錯量子計算機的核心部件，也可以用來製造極其靈敏的傳感器以及原子鐘、干涉儀等精密測量裝備。
量子派後來有一個被哄傳得很廣的論調(diào)說
“當(dāng)我們不觀察時，月亮是不存在的”，這稍稍偏離了本意，準(zhǔn)確來說，因爲(wèi)月亮也是由不確定的粒子組成的，所以如果我們轉(zhuǎn)過頭不去看月亮，那一大堆粒子就開始按照波函數(shù)彌散開去。於是乎，月亮的邊緣開始顯得模糊而不確定，它逐漸“融化”，變成概率波擴散到周圍的空間裡去。當(dāng)然這麼大一個月亮完全融化成空間中的概率是需要很長很長時間的，不過問題的實質(zhì)是：要是不觀察月亮，它就從確定的狀態(tài)變成無數(shù)不確定的疊加。不觀察它時，一個確定的，客觀的月亮是不存在的。但只要一回頭，一輪明月便又高懸空中，似乎什麼事也沒發(fā)生過一樣。但其實，量子力學(xué)定律將月亮這種巨大質(zhì)量的物體的波函數(shù)限制在很小的區(qū)域中，所以即使月亮彌散開去，彌散的程度也不是人眼能看出來的。
測不準(zhǔn)原理解釋：測量一個粒子的位置和速度，其辦法是將光照到這粒子上，一部分光波被此粒子散射開，由此指明它的位置。人們不可能將粒子的位置確定到到光的兩個波峰之間距離更小的程度，故必須用短波長的光來測量，至少要用一個光量子。這量子會擾動這粒子，並改變粒子的速度，而且位置測量得越準(zhǔn)確所需的波長就越短，單獨量子的能量就越大，粒子的速度就被擾動得越厲害。你對粒子的位置測量得越準(zhǔn)確，對速度的測量就越不準(zhǔn)確。（月亮不觀測時不是不存在，量子態(tài)在觀測時由於觀測力的相互作用而使波函數(shù)坍塌爲(wèi)確定值，微觀粒子整體呈現(xiàn)規(guī)律性，宏觀尺度下觀測力幾乎對其不影響。）（參考資料：史蒂芬.霍金所著《時間簡史》）
不能不承認(rèn)，這聽起來很有強烈的主觀唯心論的味道，它其實和我們通常理解的那種哲學(xué)理論有一定區(qū)別，不過講到這裡，許多人大概都會自然而然地想起貝克萊（George Berkeley）主教的那句名言：“存在就是被感知”（拉丁文：Esse Est Percipi）。這句話要是稍微改一改講成“存在就是被測量”，那就和哥本哈根派的意思差不離了。貝克萊在哲學(xué)史上的地位無疑是重要的，人們通常樂於批判他，我們的哥本哈根派是否比他走得更遠呢？好歹貝克萊還認(rèn)爲(wèi)事物是連續(xù)客觀地存在的，因爲(wèi)總有“上帝”在不停地看著一切。而量子論？“陛下，我不需要上帝這個假設(shè)”。
與貝克萊互相輝映的東方代表大概要算王陽明。他在《傳習(xí)錄·下》中也說過一句有名的話：“你未看此花時，此花與汝同歸於寂；你來看此花時，則此花顏色一時明白起來……”如果王陽明懂量子論，他多半會說：“你未觀測此花時，此花並未實在地存在，按波函數(shù)而歸於寂；你來觀測此花時，則此花波函數(shù)發(fā)生坍縮，它的顏色一時變成明白的實在……”測量即是理，測量外無理。