即使你已經準備好面對古怪的大自然,也沒有辦法面對量子力學。
迪士尼與皮克斯合作的動畫電影《玩具總動員》及其續集都是關于量子力學的。電影的主角是玩具,當主人安迪看向它們時,它們表現得像普通玩具,可一旦安迪不看它們,它們就“活”了。
安迪沒有見過玩具的活躍狀態,只看到過它們的經典行為。他似乎也從未注意到,在每次游戲之間,玩具的位置發生了改變(雖然他很善良,但他并不是最善于觀察的孩子)。但如果他仔細觀察,可能就會發現玩具的位置每次都略有不同。
粒子也是如此。如果我們把目光從粒子身上移開,那么相比于我們觀察的時候,它們的行為有很大的不同。我們可以用薛定諤方程猜測它們可能的位置,但永遠無法準確地預測每次我們走進房間時會發生什么。
假設安迪開始詳細記錄每個玩具的位置及每次的狀態,他可能會注意到,只能用概率描述自己觀察到的狀態。例如,玩具警長胡迪有90%的可能性出現在安迪上次離開的地方,但也有可能(可能性不為0)出現在房間另一邊,甚至在大樓外某個地方。
如果安迪屬于哥本哈根學派,他會用簡潔的數學解釋所發生的一切。他的玩具以每種可能的狀態出現在所有可能的位置,直到安迪進入房間,這時玩具的疊加態坍縮成某種經典態。但有一個永恒且博大的問題:當安迪出現在房間里,是什么引起玩具的波函數發生變化的?
在《玩具總動員》中,有一個場景是胡迪向一群玩具解釋它們不得不打破作為玩具的“規則”,那么這些規則究竟是什么?誰制定了這些規則?
如果在安迪的臥室安裝攝像頭,這些玩具還會“活”過來嗎?如果有人偷偷地在暗中監視玩具,它們該怎么辦?當玩具被其他玩具注視時,它們還能“活”過來嗎?為什么小狗巴斯特不算在內?如果有人工智能機器人會怎樣?黑猩猩會引起坍縮嗎?壞小孩西德看到胡迪開口說話而精神崩潰,以至于放棄學業,在《玩具總動員3》中做收集垃圾的工作(仔細看,那個收垃圾的人絕對是西德客串的),這又該怎樣解釋呢?
試圖在《玩具總動員》的宇宙中尋找測量的哲學意義是一場噩夢,但在量子力學中我們不得不這樣做。測量問題不僅僅違背直覺,還提出了一些嚴肅的問題:是什么使現實成為現實?
人們經常弄混測量問題與海森堡不確定性原理,但它們還是有區別的。測量問題說的是粒子在被觀察時選擇所處的狀態;而不確定性原理說的是,即使觀察也無法得到粒子的全部信息。
不確定性原理可以類比為安迪的眼睛有問題,需要特殊顏色的眼鏡才能看見東西。不戴眼鏡看玩具,他能分辨出玩具的顏色,但圖像很模糊。也就是說,他能測準顏色,但測不準形狀。如果他戴上眼鏡,玩具就變得清晰,但通過有色眼鏡他就看不清楚顏色了。他可以選擇測量顏色或形狀,但永遠不能選擇同時測量。
(摘自浙江教育出版社《量子和粒子物理學何以解釋一切》)