科學(xué)史上最離奇的佯謬

楊建鄴

前十來(lái)年有一個(gè)很受歡迎的電視連續(xù)劇《時(shí)光隧道》，讓觀眾大大地享受了一下幻想的樂(lè)趣。劇中的主人公通過(guò)一種叫“時(shí)光隧道”的機(jī)器，可以隨心所欲地回到過(guò)去任何一個(gè)時(shí)代（也有一次由于不小心弄錯(cuò)了，回到一個(gè)與預(yù)先設(shè)計(jì)不同的時(shí)代）。于是發(fā)生了種種有趣的事情。類似的幻想故事還多得很，其中最迷人的地方也許是由于主人公偶然干預(yù)了幾百年前的事件過(guò)程，結(jié)果出現(xiàn)了與歷史課本上完全不同的歷史。打個(gè)比方：由于主人公偶然的干預(yù)，武媚娘沒(méi)有被皇帝寵幸，于是唐朝出現(xiàn)了一個(gè)與現(xiàn)在中國(guó)歷史不同的，沒(méi)有武則天的歷史……。

這很有趣，可以充分發(fā)揮和滿足人的想象力，讓人海闊天空、天南海北地遐想。但是人人都知道這是科學(xué)幻想，不是事實(shí)，因此不會(huì)信以為真。但是在1957年，美國(guó)普林斯頓大學(xué)有一位叫埃弗雷特（Hugh Everett）的著名物理學(xué)家在一篇文章中卻說(shuō)，在我們這個(gè)“現(xiàn)實(shí)的”宇宙之外，本來(lái)就存在著與我們這個(gè)宇宙不同的許許多多彼此“平行的”、不連通的宇宙，而且它們都是同樣的真實(shí)。

這是真的嗎？該不又是一個(gè)科幻故事吧？是真的，不是科幻故事。埃弗雷特的這個(gè)假說(shuō)現(xiàn)在被正兒八經(jīng)地稱之為“多世界詮釋”（或“多世界理論”）。盡管目前還有許多科學(xué)家對(duì)這個(gè)理論持一定的懷疑態(tài)度，但是這個(gè)詮釋卻似乎越來(lái)越被人們看好。

你也許想知道這個(gè)過(guò)于離奇的詮釋？那你就得知道科學(xué)史上最離奇的佯謬——薛定諤的貓。這可真是不太容易，因?yàn)檫@涉及到最難懂的量子力學(xué)。但是，現(xiàn)在有一本書，也許可以比較容易地和最大限度地滿足你的這一個(gè)要求。這就是英國(guó)的科學(xué)家約翰·格里賓寫的科普著作：《尋找薛定諤的貓》。格里賓是一位著名的科學(xué)家和科普作家，他的著作在我國(guó)翻譯出版了好幾本，例如上海科技教育出版社出版的《大爆炸探秘》、《迷人的科學(xué)風(fēng)采——費(fèi)恩曼傳》（與他的夫人合著）等等。

在《尋找薛定諤的貓》這本書中，格里賓通俗而又準(zhǔn)確地向我們介紹了1935年“薛定諤的貓”這個(gè)最離奇的佯謬提出的原因，以及六十多年來(lái)為解決這一佯謬科學(xué)家付出的努力，最后討論了1957年埃弗雷特的“多世界詮釋”和對(duì)未來(lái)的展望。

一切都起因于愛(ài)因斯坦提出的光子說(shuō)。

把光看成是一種粒子（即“光子”），可惹出了大麻煩！如果我們承認(rèn)光是一種粒子，那么我們?nèi)绾蝸?lái)解釋光的衍射？要知道，光的衍射效應(yīng)可是區(qū)別“光是粒子還是波”的一個(gè)關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)呀！但后來(lái)的實(shí)驗(yàn)的的確確證明了：光既是一種波，又同時(shí)是一種粒子。這個(gè)圖像真是太離奇了。薛定諤的貓以及其他許多佯謬，都起源于這一矛盾而離奇的圖像。為了解決這一矛盾離奇的圖像，哥本哈根學(xué)派的物理學(xué)家提出了一種解釋（即“幾率波”的解釋）：我們說(shuō)光是一種波動(dòng)，是指光是一種“幾率波”；是指在衍射圖像上光子（或者電子、原子等等）出現(xiàn)的幾率：在衍射明條紋上發(fā)現(xiàn)粒子的幾率大，在衍射暗條紋上發(fā)現(xiàn)粒子的幾率小。顯然，這一解釋表明自然法則中存在著一種根本的隨機(jī)性。愛(ài)因斯坦對(duì)這一解釋很是不滿，并且說(shuō)了一句很有名的話：“我不相信上帝會(huì)玩擲骰子。”后來(lái)愛(ài)因斯坦還提出一個(gè)“EPR佯謬”來(lái)反駁哥本哈根的解釋。但是，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明愛(ài)因斯坦的這一反駁失敗了。

與愛(ài)因斯坦提出反駁的同時(shí)，薛定諤也提出“薛定諤的貓”這一佯謬來(lái)反對(duì)哥本哈根的解釋。這一佯謬簡(jiǎn)單地說(shuō)是這樣的：在一個(gè)盒子里，用一個(gè)放射性原子的衰變來(lái)觸發(fā)一個(gè)裝有毒氣的瓶子的開關(guān)，毒氣可以毒死同時(shí)放在盒子里的貓。按哥本哈根學(xué)派的解釋，放射性原子的衰變可以用波函數(shù)來(lái)描述；當(dāng)用波函數(shù)描述不同狀態(tài)的組合時(shí)（如放射性元素“衰變了”或“沒(méi)有衰變”這兩種狀態(tài)的組合），我們稱之為“波的迭加態(tài)”；在沒(méi)有打開盒子時(shí)，放射性原子進(jìn)入了衰變與不衰變的迭加態(tài)，由此貓也成了一只處于迭加態(tài)的貓，即又死又活、半死半活、處于地獄邊緣的貓。正像哈姆雷特王子所說(shuō)：“是死，還是活，這可真是一個(gè)問(wèn)題。”只有當(dāng)你打開盒子的時(shí)候，迭加態(tài)突然結(jié)束（在數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)就是“坍縮（collapse）”），哈姆雷特王子的猶豫才終于結(jié)束：我們知道了貓的確定態(tài)：死，或者活。哥本哈根的幾率詮釋的優(yōu)點(diǎn)是：只出現(xiàn)一個(gè)結(jié)果，這與我們觀測(cè)到的結(jié)果相符合。但是有一個(gè)大的問(wèn)題：它要求波函數(shù)突然坍縮。但物理學(xué)中沒(méi)有一個(gè)公式能夠描述這種坍縮。盡管如此，長(zhǎng)期以來(lái)物理學(xué)家們出于實(shí)用主義的考慮，還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價(jià)是：違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿于懷了。