豌豆物理学独特状态：量子力学与命运

43.定义的不同

一个电子自旋能够朝上或朝下。

一个超导物质环能够处在这种或那种磁态。

一箱干豌豆能够混合或去混合。

一只猫能够或死或活。

量子力学中测量问题的产生，简言之，与这些听起来多少有点相同的陈述有关。如果一个电子能够同时处在即上又下而又不真正是其中任一个的自旋态——我们称之为叠加——并且如果像超导圆环这样的大物体能够处于两种不同磁态的叠加中，那么为什么一只猫不能也同时处于即活又死的状态呢？如果猫实际上不能处于这种状态，如日常经验中所看到的那样，那么是什么使它一定采取这种或那种状态呢？“坍缩”成明确的态，它是量子力学的本质，又是如何实际发生的呢？叠加又去往何方？

既然我们一直详细地考虑箱中被抖动的豌豆的物理学，我们可以看出，这些陈述实际上不完全一样。对于电子来说自旋是一个定义特征。如果你知道电子处于什么自旋态，你就知道那个测量范围内所能知道的一切。当然，电子还有其他可测量的性质，如它的动量和运动方向，但如果我们正在按类处理自旋的量子测量，那么这样一种测量的两种可能的结果合并成自旋状态的完备信息。一旦测量被进行，并取得了结果，那就没别的可说了。按同样的理路，如果我们说在测量之前电子存在于作为两种可能的测量结果的自旋叠加态，那么我们就有了对电子的完备描述。(www.xing528.com)

同样地，虽然超导环包含许多电子对，但它的磁性却源于电子的集体行为，这些电子以相干的方式在环中流动。正是这种电子对的相干导致超导性（电子互相合作而不是对抗地运载电流），并且这也意味着环的全部行为可以很简单地说成：如果你知道环处于什么样的磁态，那么你也就知道有关电子的根本行为所能知道的一切了，因为所有的电子对基本上做着同样的事，它们由一个单一的波函数描述。

然而，在由大量电子或原子构成的物体中，超导环显然是一个例外，而不是惯例。说一个装满黄豌豆和绿豌豆的箱子不是混合就是非混合是对它的整体表象给出一个粗略的陈述，而不是向你充分揭示其中豌豆个别分布的陈述。如我们所见，有许多可能的非混合态和许多可能的混合态，并且这些状态的每一个都包含完全不同的和互不相关的个别的豌豆位形。

把同样的分析扩展到猫和原子，我们现在知道，说一只猫是死的还是活的并不等于，在以或上或下的自旋测量阐明电子态的意义上指定猫的状态。有许多表示活猫的可能的原子排序，也有许多表示死猫的可能的原子排序。说一个特定的猫是死是活并不能告诉我们构成它的所有原子的位形。或者换一种说法，如果以为知识非凡的物理学家能为你彻底阐述一只猫的所有原子和电子的全部量子态，你还是不能很容易地由这些信息推断猫实际上是活的还是死的：猫内的所有粒子的一系列的位置、速度和自旋，对于你弄清楚真正的宏观的猫是怎样的并没有什么帮助。

但是，猫的行为必定存在于所有这些信息之中，因为对其中每个原子的量子态的详细说明包括着有关这只猫的你所希望要的所有可能的信息。但一只猫，不像一个超导环，其构造是复杂的。从它的所有组成部分的详细知识到达一个整体的理解，在任何实用意义上都不是可行的。对于超导环，使得这种推断成为可能的是其构成电子的相干行为，电子态和环磁态之间有一个简单而直接的等价。但对于猫，我们不能做这种冒险的结论，并且世界中大部分事物更像猫而不像超导环。

这会使我们到达何处？我们可以合理地考虑一只猫的“量子态”，即它的那些具有自旋、动量等相关量子属性的全部原子和电子的特别分布。我们可以想象，这些状态的有些部分对应于活猫，而有些部分则对应于死猫。恰如箱子中的豌豆，猫体内随机摆动着的原子（在任何不是绝对零度的物体中原子总是摆动的）确保一只活猫的量子状态，在相应的活猫量子态范围内，不断地从一种可能的状态跳到另一种可能的状态。对于死猫也是相类似的。

简言之，把猫的“死”或“活”看成某种客观的量子态，按照我们能够合理地考虑超导环磁量子态的同样方法，现在却成了很可疑的命题。我们一直在用我们熟悉的语言和概念，即讨论电子的又上又下时所用的语言和概念，粗略谈论了活猫和死猫。由于抓住猫的量子态的复杂并对比电子或超导环量子态的简单，我们终归开始抓住测量问题本身。