薛定諤的貓
——生死未卜

☉ 楊建鄴

世界上大約有兩只貓天下聞名。一只是英國作家卡羅爾寫的《愛麗絲漫游奇境》里的柴郡貓，一只是“薛定諤的貓”。前者可能更加有名，因為它出現在風靡全球的童話小說中。薛定諤的貓也許一般人不太知道，實際上這只貓比柴郡貓更加古怪，在科學界可是聞名遐邇，聲震四方。它的出現曾經引起過科學界巨大的震撼，讓所有過世的和在世的物理學家都曾經和仍然繼續陷入一片混亂之中。下面就先從它的出世講起。

薛定諤的貓

由前面幾章講到的內容可知，愛因斯坦和薛定諤都反對量子力學的正統詮釋，所以相互之間也經常就量子力學問題交換意見。薛定諤認為他的方程中的波函數是對實在的描述，愛因斯坦不同意這一觀點，他認為波函數只能描述系統的行為，而不能描述個體的狀態，而這正是量子力學不完備之處。為了說服薛定諤，愛因斯坦還提出一個“炸藥佯謬”。愛因斯坦假定有一包炸藥，在一定的時間里可能隨時爆炸。在沒有爆炸之前，描述這包炸藥的波函數表示的是已爆炸和未爆炸炸藥的不確定狀態的迭加。但是，炸藥要么已經爆炸，要么還沒有爆炸，不可能處于“不確定”狀態。因此愛因斯坦說：“我們不能把波函數看做是對實在的充分的描述。”

薛定諤受了愛因斯坦的啟發，不久就在德國《自然科學》雜志上，發表了《量子力學的目前情形》一文，對正統觀點再次提出批評。文章由三部分組成。他用嘲諷的風格寫道：他不知道是將這篇文章稱為“報告”還是稱為“一般聲明”，語氣中暗示了他認為“目前的狀況”不盡如人意。

最有意思的是，文中薛定諤設想了一個量子貓實驗，這一實驗就是此后無人不知的“薛定諤的貓”的實驗。因為原文不太好懂，我們用簡單明了的文字介紹如下：

在一個盒子里，用一個放射性原子的衰變來觸發一個裝有毒氣的瓶子的開關，毒氣可以毒死一同在盒子里的貓。我們知道，按哥本哈根學派的詮釋，放射性原子的衰變可以用波函數來描述。當用波函數描述不同狀態的組合時（如放射性元素“衰變了”或“沒有衰變”這兩種狀態的組合），我們稱之為“波的迭加態”；在沒有打開盒子時，放射性原子進入了衰變與不衰變的迭加態，由此貓也成了一只處于迭加態的貓，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：“是死，還是活，這可真是一個問題。”只有當你打開盒子觀察的一瞬間，迭加態突然結束(數學術語就是“坍縮”)，哈姆雷特王子的猶豫才終于結束——我們知道了貓的確定態：死，或者活。哥本哈根學派的幾率詮釋的優點是：只出現一個結果，這與我們觀測到的結果相符合。但是有一個大的問題：它要求波函數突然坍縮。但物理學中沒有一個公式能夠描述這種坍縮，而且這種瞬時的突然坍縮與相對論也不相符合。盡管如此，長期以來物理學家們出于實用主義的考慮，還是接受了哥本哈根學派的詮釋。付出的代價是：違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿于懷了。

哥本哈根詮釋在很長一段時間里成了“正統的”、“標準的”詮釋。但那只不死不活的貓卻總是像《愛麗絲漫游奇境》里的柴郡貓一樣在空中時隱時現，讓物理學家們不得安寧。

正統詮釋一再勸說人們：對于量子世界，不要相信我們的常識，而要相信我們直接看到的或者用實驗設備準確測量到的，對于這一點我們是有把握的。如果不進行測量，我們就不知道盒子中發生了什么。所以盒子中的貓是死是活，正統派的物理學家并不在意，他們只關心測量，對于沒有測量的貓處于迭加態中的哪一態，他們不感興趣，而且認為討論這個問題實在沒有意義。

1936年3月，薛定諤見到玻爾（哥本哈根學派的代表人物）時又交流了關于量子力學的看法。后來薛定諤在給愛因斯坦的信中談到這次談話：“玻爾對于勞厄和我，尤其是你，利用已知的佯謬來反駁量子力學的哥本哈根詮釋，感到十分震驚……在他看來，哥本哈根詮釋不僅在邏輯上無懈可擊，并且在經驗上已經被大量的實驗所證實。他認為我們似乎在強迫大自然接受關于實在性的先入之見。”

“薛定諤的貓”佯謬還有一個令正統詮釋派感到困惑的地方：盒子里的貓是“什么時候“從又死又活的迭加態突然坍縮（或轉變）為我們所知道的或死或活的狀態呢？這是一個更嚴重的困惑和麻煩，甚至引起正統派內部的不同意見。

我們可以這樣設想：在薛定諤的盒子里放一個攝像機，作為一種測量儀器，攝像機可以測量出貓什么時候是死是活，但在盒子沒有打開之前，對于人來說，貓仍處于迭加態又死又活。貓到底什么時候或死或活，仍然讓人困惑。海森伯說，只有“觀察者”（即人）才能夠使得波函數坍縮，從而把貓從又死又活的迭加態中解放出來。這也就是說只有觀察者的“上帝之眼”才能把一個“量子貓”變成“經典貓”。但玻爾則不同意海森伯“上帝之眼”的觀點，他認為測量只需要經典儀器就行了，與觀測者沒有關系，經典儀器就足以解救這只量子貓，使它或死或活地成為經典貓。

海森伯和玻爾不同的意見，引出了更麻煩的問題：誰才有資格作為“觀察者”呢？而且，玻爾這種必須考慮整個實驗、波函數坍縮的方式取決于所有的實驗設備的說法，似乎告訴我們，測量設備比我們要觀察的東西更重要，因為被觀察的東西僅僅在被觀察的時候才是真實的。即使在20世紀30年代，許多物理學家也都認為這是不可思議的。

但哥本哈根詮釋已經搖搖晃晃地存在了近七十年。從上世紀30年代到80年代，大多數物理學家都同意這種詮釋，因為它的確是可以用來預測實驗的一個實用的工具。但在80年代以后，物理學家中有一些人對關于量子論究竟意味著什么的詮釋，產生了越來越多的不滿意。主要的問題仍然與薛定諤的貓（即波函數的坍縮）有關系。

量子力學的多世界詮釋

1997年7月，在英國劍橋大學牛頓研究所舉行的量子計算會議上，有人曾對參加會議的人做過一次非正式的調查。調查的結果明確顯示，主流的觀點正在發生變化。在接受調查的90位物理學家中，只有8人保持哥本哈根正統詮釋觀點，有30人接受“多世界詮釋”，還有50人選擇的是“不贊同上述任何觀點或者未拿定主意”。對此，美國物理學家惠勒在2001年2月號《科學美國人》上發表的文章《量子之謎百年史》中寫道：“這次調查清楚地表明，該是更新量子力學教科書的時候了。……坍縮概念作為一種計算工具毫無疑問仍將有很大的用處，但是，如果再加一句提醒，說明它可能并不是一種違背薛定諤方程的基本過程，那就有助于精明的學生免遭長時間的摸不著頭腦之苦。”

現在回到“多世界詮釋”：它是量子力學中諸多詮釋中的一種，它是惠勒的學生艾弗瑞特（1930-1982）在1957年提出的，開始物理學界反應極其冷淡，到了80年代以后才逐漸引起重視。

艾弗瑞特畢業于美國天主教大學化學工程專業。20世紀50年代，他改變了專業，到普林斯頓大學攻讀理論物理博士學位，導師是著名的理論物理學家惠勒。惠勒是一位熱情洋溢、好奇心極強而且“膽大包天”的物理學家，他鼓勵他的學生提出看似“瘋狂”和“推向極致”的觀點。

艾弗瑞特在這種強烈創新氛圍中，開始了他輝煌的研究。經過對哥本哈根學派正統詮釋做了充分的獨立思考后，他逐漸形成了自己的觀點。他認為正統詮釋中波函數的坍縮是一種沒有必要的觀念，可以通過他的多世界詮釋去掉。

1957年，艾弗瑞特提出的“多世界詮釋”似乎為人們帶來了福音，雖然由于它太離奇，一開始沒有人認真對待。英國物理學家格利賓認為，多世界詮釋有許多優點，它可以代替哥本哈根詮釋。我們下面簡單介紹一下艾弗瑞特的多世界詮釋。

在波函數的迭加態沒有坍縮之前，在處于迭加態的觀測者看來，每一個態都可以看成是一些備選的平行世界。以薛定諤的貓來說，艾弗瑞特指出兩只貓都是真實的。有一只活貓，有一只死貓，但它們位于不同的世界中。問題并不在于盒子中的放射性原子是否衰變，而在于它既衰變又不衰變。當我們向盒子里看時，整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其余的各個方面都是相同的。唯一的區別在于其中一個版本中，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平行演變下去，就像兩個平行的世界一樣。這聽起來就像科幻小說，然而它是基于無懈可擊的數學方程，基于量子力學樸實、自洽和符合邏輯的結果。

這個詮釋的優點是：薛定諤方程始終成立，波函數從不坍縮，由此它簡化了基本理論。它的問題是：設想過于離奇，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。”

艾弗瑞特把以上觀點寫成了博士論文，惠勒對這篇論文很贊許，論文的預印本在1956年初已經在一些同行中傳聞。1957年1月，艾弗瑞特在北卡羅萊納大學的一次物理學會議上宣讀了他的這篇論文，不久后在1957年7月號《物理評論》上發表了論文的簡介。

不幸的是，雖然有惠勒的推薦和簡短介紹，但艾弗瑞特的新詮釋公布之后，物理學界的反應還是出乎意料地冷淡，據說艾弗瑞特曾經到哥本哈根去會見玻爾，對人一貫熱情、關愛和有寬容心的玻爾沒有見他。正統派的物理學家幾乎完全拒絕了多世界詮釋，漠然置之。

艾弗瑞特遭到學術界如此冷漠的對待，大失所望，于是在獲得了博士學位以后就決然離開了物理學界。

1968年，惠勒的一個同事和量子引力理論的主要奠基人之一布賴斯·德威特和他的學生格拉罕姆寫了一系列文章，介紹和發展了艾弗瑞特的多世界詮釋，這才使得艾弗瑞特的理論重見天日。到了20世紀80年代，物理學家們對多世界詮釋越來越重視，這使得艾弗瑞特有心重新返回物理學界，對量子力學中最基本的測量問題進行更深入的研究。可惜他是個不愛運動的“老煙槍”，竟于1982年因心臟病而英年早逝。

格利賓在他1995年寫的《尋找薛定諤的貓：量子物理和真實性》一書中寫道：“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里，沒有隱變量，上帝不會擲骰子，一切都是真實的。”

按照格利賓所說，愛因斯坦如果還活著，他也許會同意并大大地贊揚這一個“沒有隱變量，上帝不會擲骰子”的多世界理論。

我們也許記得，在20世紀20年代，有一位物理學家聲稱他有一個理論可以解決量子理論的基本問題時，玻爾說：“你的理論的確美妙，但是還沒有美妙到真實的程度。”格利賓現在認為，艾弗瑞特的理論“確實已經美妙到真實的程度，在尋找薛定諤的貓方面，這個理論可以給出一個合適的答案”。由此可見格利賓對艾弗瑞特的多世界詮釋抱有多么大的信心。

但是，盡管艾弗瑞特的多世界詮釋有非常吸引人的地方，但也存在幾個問題。首先，如果這些分開的世界不能發生相互作用，那么非常清楚的是，沒有任何辦法能夠檢驗艾弗瑞特的說法。其次，測量的問題雖然解決了，但是沒有帶來新的預言。因此這個理論看起來不能令人滿意。甚至約翰·惠勒最后也總結說，艾弗瑞特的觀點只能提供一些想法。這個理論的詳細公式體系也有很大的問題。費曼擔心，在這些不同的世界當中，應該有很多份我們自己的拷貝。我們的每一個拷貝都知道世界是怎么因我們而分裂的，因此我們就可以往前追溯我們的過去。當我們觀察我們過去的行蹤的時候，觀察結果是不是和一個“置身事外的”觀察者得到的結果一樣“真實”呢？更進一步，雖然在我們觀察自身之外的世界的時候，我們可能把自己當成“外面的”觀察者，但是我們之外的世界包括別的觀察者也在觀察我們呀！我們會不會就以為我們看見的東西總是有一致的觀察結果呢，就像費曼說的：“可以有很多很多的推測，討論這些東西并沒有什么用處。”

物理學家們也都知道，還有許多技術上的難題等待他們去解決。但是正如格利賓所說：

我們要么不得不接受哥本哈根詮釋，連同那幽靈般的現實的和半死半活的貓；要么接受艾弗瑞特的多世界詮釋。當然，可以認為科學市場上“最好的家伙”都是不正確的；這兩種選擇都是錯的。關于量子力學的現實，可能還有另一種解釋，它能解決哥本哈根詮釋和艾弗瑞特的詮釋已經解決的所有問題……但是如果你認為這是一個輕松的選擇，一條容易走出困境的路，那么你必須記住：任何這種“新的”解釋都必須能夠解釋自從普朗克在黑暗中取得突破以來的所有成就；在解釋萬物方面，它必須與目前這兩種理論一樣好，或者更好。的確，守株待兔似地等待某人對我們的問題提出一個好的答案，這不是科學的態度。在沒有更好的答案的情況下，我們就不得不正視目前能得到的最好答案。

因為同樣的理由，很多物理學家對多世界詮釋很有興趣，并且抱有信心，其中包括著名的物理學家費曼、蓋爾曼、霍金等人。

這些物理學家既肯定了艾弗瑞特的詮釋，也提出了一些改進的意見。目前，許多物理學家認為多世界詮釋的確是一個具有獨創性和革命性的看法。我國量子哲學研究者和超光速通信研究專家高山認為：多世界詮釋“否定了一個單獨的經典世界的存在，而認為實在是一種包含有很多世界的實在，它的演化是嚴格決定論的”。

但是，多世界詮釋仍然有許多重大問題無法解釋，因此，物理學家們對待多世界詮釋也不是都表示贊成或者放心，反對者也不乏其人。還有許多理論不斷地在提出。這些對一般讀者來說十分奇怪的理論，我們這兒就不能一一介紹了。我想，英國物理學家安東尼·黑和沃爾特在他們寫的《新量子世界》一書中說得好：

在我們關于量子測量問題的簡單討論中，只能很膚淺地觸及這些爭論的表面。我們希望讀者不要為觀點的繁雜而沮喪，考慮到這些偉大的物理學家之間也有不同意見，你們應該受到鼓舞才對。量子力學不是一本已經完成了的學問，21世紀可能還會有一些驚人的發現在等著我們。