量子力学：揭示语词困惑

38.语词的困惑

电子，在它被测量之前，处于我们一直称为“半上半下”的状态，或者更累赘地说“即不上也不下，而部分地是两者”。一旦被测量，它就确定地或“上”或“下”，这就是我们找到的更容易理解的陈述。这就像在说，我们尚未查看的地板上的硬币必定不是正面就是反面。以专门术语说，第一种不确定性，属于测量发生前的不确定的量子态，被称为“叠加”——指两种态可能同时、同等地呈现。第二种不确定性，我们知道某种事情确已发生只是不知道如何发生，有时被说成为混合态，其理由我们一会儿就会知道。叠加是量子态，混合是经典态，而测量问题，现在我们使用正确的语言说，是一个从“叠加”到“混合”的问题。但叠加如何变成混合呢？

虽然我们已经逐渐地适应了以“半上半下”的电子为例的“叠加”，但关于它究竟是什么你可能仍然有点糊涂，特别是当我们说到像“半上半下”的指针和“半死半活”的猫这种不可想象的叠加时。当我们说一个电子是上和下的两者而同时又既不真正是上又不真正是下时，我们对其所意指的东西并没有多少理解，我们只是逐渐地熟悉了这种想象，并且因为关于电子看起来像什么，我们开始并没有多少构想，无异议地接受它处于一个古怪而不可描述的状态或许也就容易了。但当我们试图把以叠加所意指的半成品的想象变成猫和指针的世界时，我们就碰壁了。同样的语言，我们把它用于电子时还多少意味着点什么，现在却全然没有意义了。

我们应该首先从下述事实鼓起勇气：物理学家没有理解这些事情的什么秘密钥匙，他们也没有能使他们掌握我们其他人觉得混乱不明的概念的某种特殊才智。他们一直运用我们其余的人使用的同样的一些词，但他们曾经有时间逐渐地习惯于那些表达笨拙的想象。在这里有真正的语言困难，其中我们正试图用适合于我们周围世界——测得属性的和有实际结果的世界——的词和概念于隐变量的量子世界，在这量子世界中性质是不确定的，结果也只是概率的。

古典的混合态是一个熟悉的思想的一个不熟悉的术语。它描述这样一个系统，它处在可能态范围内的某个确定态，只是我们不确切知道它碰巧是哪个态。一个抛出的硬币，在你看它之前，不是正面就是反面，但是你不知道是哪个。电子自旋探测器上的指针，当电子通过后，不是指上就是指下，但在你看它之前你不知道是哪个。箱子里的猫，我们相信它不是死的就是活的，但是在你打开箱子之前你不能说是哪个。古典混合态规定我们的无知——系统无疑处于某种状态，由于我们还不知道究竟是哪一种，我们不得不满足于一系列的可能性，实际上它所处的这种状态或那种状态亦或其他的状态。更复杂点的例子是抛两个骰子。会有36种可能的结果——每个骰子有6个不同的数字，其中的每一个又与第二个骰子的6个不同的数字之一配对——相应于从2（两倍的1）到12（两倍的6）11种不同加合数。2与12的可能性最小，每个只有1/36的机会。7的可能性最大，因为有6种方式可以构成7，因此它有6/36或1/6机会。描述这种情形的古典态是一组11种可能性，它们对应于两个骰子数字之合的11种可能性。

术语“混合态”，当我们考虑单个系统时，偶尔有点不适当。这个专门的名词源出早期的统计力学中，那时物理学家们正在解决如何处理构成气体的原子巨系统，并试图按照组成气体的所有原子的运动理解大量气体的全部性质。在这种情况下，你是在与一种混合态打交道，你不能说任何个别原子在做什么，但你能计算平均说来有多少原子以这种速度运动，有多少以那种速度运动等等。这系统形成了真正的原子混合，换言之，这混合是对于代表着原子所能做的所有事情中一种个别的可能性的每个原子的，而且也是对于由一定数量的原子所代表气体的某处的每种可能性的。混合态这一术语用于一个单个的事例——骰子的一次转动——不应认为意指所有可能性存在于一个事例中。混合态指涉这个例子可以说明的可能性范围。

量子的“重叠加”，与此相比，则是完全不同的事情。它指涉一个处于不确定状态的客体，因为还不曾被测量。在“重叠加”中不像在“混合”中，我们不能说客体实际上处于某个状态，而我们碰巧不知道是哪个；“叠加”则包含所有可能而又不等价的结果。(www.xing528.com)

当我们试图定义这种事物时，语言变得似乎不可依赖并且意思也不可捉摸。量子叠加与我们日常生活中的事物没有什么对应，因而我们感到为难。最好的求助是考察量子叠加实际意味着什么，按照它们的含义理解它们。

那么问题当然在于，现实的电子和光子——即被探测或被测量的电子和光子——必定处在某个确定的态。一旦我们做了测量，电子自旋果真不是上就是下，光子果真不是在这就是在那儿。这是熟悉和愉快的语言，并且我们必然试图用或多或少熟悉的方式来描述奇异的和不熟悉的事物，以便把那奇异性引进我们理解的范围。我们熟悉的语言只适合于被测量因而不再处于叠加态的量子客体，我们还想能用这同样的语言的某种翻版，描述那些居先的未被测量的状态，根据定义这是不合适的。

换句话说，客体的被测量的性质在某种意义上对于我们想理解的未被测量的状态是二级的或衍生的，所以我们试图按照只适用于测量被完成并且叠加丧失状态的语言描述理论的初始结构——量子叠加。

这是多于纯语义学的。当我们把一个未被测量的电子描述为是上和下两者而又即不是上也不是下时，我们在暗示，未被测量的电子的先在状态不知怎么竟是由测量后才出现的那些可能性构成。这是没有理由的并且是误导。假设我们做了电子自旋的“上下”测量，并努力把电子的排布描述为“是上和下两者，又既不是上又不是下”。但现在我们假定有人偷偷溜进实验室并把我们的测量装置旋转90°，以致应该是一个“上下”的测量突然变成一个“左右”的测量。于是我们不得不放弃“上”或“下”的语言，而代之以用“左”和“右”这样的语言陈述。对电子来说并没有发生什么，“半左半右”的状态与“半上半下”的状态一样；我们不能想象语言的改变对应于电子状态的什么变化。但是作为一个必然的结果，我们也不必误认为一个半上半下的电子实际地包含物理上可视为同一的或可区分的上或下的部分，比一个半左半右的电子实际上包含物理上可区分的右和左的部分多些什么。

语言使我们失望。但如果我们不能渴望通过修补语言的细微差别达到对“叠加”的一个清楚而不含糊的语言上的定义，那么我们只能希望通过考察它们如何行为来熟悉它。不要问叠加是什么，而是问它能为你做什么。