命运之神：探寻量子力学中的薛定谔猫

17.生死界上的薛定谔猫

我们一直强调，物理性质并非如它在古典世界中那样是我们正在测量之事物的一个内在的和不变的特征，在量子世界中它作为测量作用的一个结果，并且在测量之前不能把任何有效的或一致的意义归之于它。这就近乎于把世界清楚地区分为两类物理客体：我们测量的事物（或原则上能测量，我们能希望测量的事物，和我们用做测量的事物。这两种事物似乎是根本不同的。被测量的客体，在它们被测量之前处于不确定的、无限的、模糊的（随便什么你想用的不充分的词）状态，在这种情况下它不得不承担超出它们可能具有的性质以外的一种个别的特征、性质或价值。另一方面，用做测量的客体总是存在于一个限定的状态之中：一个光子探测器或者一直探测光子或者不曾探测但它们所处的状态毫不含糊。一个斯特恩—革拉赫装置，实际上沿着磁铁轨道“上”“下”两个方向我们常常加置某种探测器，我们确信当电子穿过磁铁的时候它们挣脱出来并且被某个探测器记录。这里绝不存在中间状态，没有什么不确定性或含糊性。

我们一直在讨论区别。被测量的客体是量子系统，它具有所有伴随的无限定性、不确定性和或然性，我们渐渐地学会了用它们生活。与此相对照，用于测量的客体是明确的和实际的，总是某种确定的事物。它们实际上是古典装置，具有固定的和明明白白的特征。

这是玻尔或量子力学哥本哈根解释的一个致命的矛盾。它断言只当测量被进行时量子客体才能被认为是限定的，而为了进行一次测量你又需要某种能提供明确结果的古典装置。我们还相信量子力学是根本性的物理理论，以致原则上，世界上所有事物的内部运转都应该用量子力学的术语予以说明。在现代实验室中，例如，探测器常常是与电脑相连接的电子装置，它们的独特功能都依赖于电子的运动及其相互作用。那么如果我们正在用电子装置测量其他电子，我们能认为探测器和电脑中的电子就不受那进入斯特恩—革拉赫磁铁的电子的那种总是令人烦恼的不确定性的影响吗？

以最正确的术语说，量子力学的哥本哈根解释依赖于一个被称之为测量的概念，实际上它超出了量子力学本身的说明能力。测量必须附加一个直率的断言。玻尔完全意识到了这个问题，然而提出了这样一种实用的观点，当实际的实验到来时物理学家们知道如何测量。实验室中有很多能提供可靠的和明确的结果之装置。在量子力学来到之前数年，物理学家们一直在测量，之后还继续测量，渐渐地失去了信心。

实际上，物理学家们理解测量犹如律师们理解色情文学和实利主义者理解艺术：他们不能对它下定义，但他们知道它们是什么。尼耳斯·玻尔显然依赖于这种持久的能力。他从不用量子力学的术语定义测量，而且也不定义无限定如何变成限定。他只是说，实际上测量时理解从未发生问题。他依赖那些知道自己在做什么的他的物理学同行们。

虽然如此，他和许多其他人都很明白，对于不能定义的过程的这种信赖，表明在思维方式方面即使不是实用的也是一个哲学的缺陷。这常常是有危险的，当实验家们变得在技术上更巧妙时，他们可能遇到必须以某种精度定义，被测量的世界和用以测量的世界之间，也就是在量子物理学与古典物理学之间的界限。

为了更清楚地说明这个难题或者以某种方式揭示为什么哥本哈根解释是错误的，一些物理学家常常利用测量问题设计“悖论”（虽然，最终这些论证无疑是古怪的和令人深思的，但绝不是悖论的）。这些说明中最值得注意的是埃温·薛定谔的一个思想，这位奥地利物理学家发明了波函数，其行为由一个方程式决定。像普朗克一样，薛定谔一直为他发明了它而不安。为了提出他的“悖论”薛定谔利用了一只猫的帮助。

薛定谔猫难题能够用各种方式表述，为了尽可能地通俗易懂，让我们想象一个我们现在已熟悉的电子自旋的斯特恩—革拉赫测量的翻版。想象在一个封闭的盒子中放进一只猫和一个能自动完成电子自旋测量的装置。这斯特恩—革拉赫装置以这样一种方式安装，如果电子出现在上束（它将被处于电子束路径上的一个适当的探测器记录）那么猫食碗的盖就被掀起，而如果电子出现在下束那么一个独立的探测器击破毒气囊并因而猫立刻（没有痛苦地）死去（见图5）。

图5　如果这电子被测量是“上”，这猫获得食物；如果电子被测量是“下”，这猫就死。但是，一个“左”的或“半上，半下”的电子产生一个“半活，半死”的猫吗？

实验能够用一个秒表控制，以致我们能够把猫和装置放入箱子中并安排在半小时后进行自旋测量。那么设想在察看箱子中猫的命运之前我们再等半小时。显然，当我们打开箱子的时候，猫的或死或活机会各半，因为猫的死活依赖于电子的“上”出还是“下”出。(www.xing528.com)

这些事件都是简单的。问题在于我们如何对待它们。首先我们倾向认为，在半点钟时一次自旋测量被进行，并且猫不是存活下来就是被杀死。之后，我们能确定地知道猫的死活，但是直到有人往箱子里看之前我们是不能知道的。

既然我们正在按照量子力学思考问题，就是默认自旋探测器是一个古典的测量装置，它明确地记录下出现在某个电子束中的电子并获得适当的结果。测量之前电子处于一个不确定的“半上半下”状态，测量之后则处于不是“上”就是“下”的状态。至少到现在，我们一直或多或少认为这样一种看法是不成问题的：当某些信息对于等待它的物理学家们变得有用的时候测量才被进行。我们能认为一个孤立的、没有观察的斯特恩—革拉赫装置真正地构成一个测量装置吗？

还有另一种可能性：因为斯特恩—革拉赫装置本身大抵是按照物理学定律，特别是按照量子力学的约束起作用的，那么有什么东西阻止我们试图用量子力学的术语描述它呢？我们可以说探测器有两个量子力学状态，即上和下。它的活动方式是，一个上电子在探测器中触发一个“上”回应，而一个下电子触发一个“下”回应。

然而，必定没有一个半上半下的电子在探测器中触发一个“半上，半下”的回应吗？请记住，我们现在指导一个练习，其中我们正在严谨地描述一个作为量子力学系统的探测器，而不是作为哥本哈根意义上的古典探测装置。我们被迫做这些事，哥本哈根解释似乎也不妨碍我们这样做，并且有技术熟练的和乐于冒险的物理学家们，我们总应该探究那些尚未明确判定的任何论证的结论。

所以，如果我们认为探测器是一个量子系统，那么也必定有测量其状态的其他的、较大的装置。当你往箱子里看时，这样一个装置也许就是你。我们确信，用于观察的探测器不能处于一个不确定的“半上，半下”的状态，所以至少我们应有这样的一个结论：当箱子被打开并且斯特恩—革拉赫装置本身被观察时，它必须分解（通过观察行为）成一个不是“上”就是“下”的状态。

然而这意味着使电子穿过磁铁（并且我们确实知道在这半小时内这事发生了）之后，要是没有什么人往箱子里看，猫就处于“半死，半活”的状态吗？我们已经把猫的状态与电子自旋测量装置的状态连在一起，那么在打开箱子之前不进行测量，其中任何东西，包括猫在内，终归要处于不确定的、混合的半彼半此状态中吗？

你可能意会到薛定谔猫的戏剧性。想象一个处于未定的“半上、半下”状态的电子自旋探测器，决非比想象一个半死半活的猫更困难。我们一直习惯于认为电子能够处于半上半下状态，只是因为我们总是看见它不是上就是下，其真正意义还不曾弄清楚。不确定的半上半下状态，按定义只能适用于其自旋尚未被测量的电子。

或许我们可以接受这样一种看法：诸如电子一类的基本粒子，我们不能以看小球或手套的方式看它们，它们能够以我们不能真正理解的方式行为，首先只因为它们是不同于我们所常见的客体。猫的问题则不同。我们可以在任何时候观察猫，并且我们知道猫总是非活即死。我们不知道说“半死半活”的猫意味着什么，与我们果真知道说“半上半下”的电子或“半上半下”的电子自旋探测器意味着什么相比，更难明白。

我们从薛定谔猫的故事中真正学到的是什么？考察的一种方式就是说明这样一个事实，不确定的量子力学态的确很难或许不可能形象化。我们仍然在这样的一个事实中得到安慰，即一旦打开箱子猫必定不是死就是活。我们绝不能看到可疑的半死半活的猫，所以，即使我们严格遵循哥本哈根解释，我们也不能真正解决它意味着什么这种烦恼，因为这涉及一个我们永远不能探测的状态。

然而采取这种观点不过是强调这样一个事实：哥本哈根解释完全不能提供如何实际地完善测量的任何指导。或许薛定谔猫不向我们呈现任何真正的悖论是完全可能的，因为最终的测量和观察的结果绝不是未决的，但是如果我们不得不调节那些由于我们想要它发生的测量和观察作用（如在半点钟电子通过斯特恩—革拉赫磁铁时发生的，或者在1点钟我们打开箱子时发生的，它们并非有什么不同）所引起的争端，那么我们似乎把一个根本的物理学的因素——测量——化为或多或少的心理现象。这可能吗？