薛定谔猫的生与死
比较早的文章，只为抛砖引玉
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1 u4 Z3 t4 I: r6 {; x薛定谔猫的生与死
5 q! U2 ? J! q! p( h沈致远 7 C* m7 W4 A9 v# g8 A1 ~- c
乍看这个题目，以为是在开玩笑，其实这是一个严肃的科学问题。英国著名科学杂志《自然》（Nature）最近刊登了两篇文章专门讨论这个问题，其中一篇评论文章的题目就是：“薛定谔猫变胖了”[1]。
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什么是薛定谔猫？这要从头说起。薛定谔（E.Schrdinger ，1887—1961）是奥地利著名物理学家、量子力学的创始人之一，曾获1933年诺贝尔物理学奖，薛定谔猫是他在1935年提出的关于量子力学的一个佯谬[2]。这些年来许多物理学家绞尽脑汁，试图解开这个佯谬。直到最近经过一系列精巧的实验，这个问题才逐渐有了眉目。2000年7月，《自然》报道了最新的实验结果。 量子力学是描述原子、电子等微观粒子的理论，它所揭示的微观规律与日常生活中看到的宏观规律很不一样。处于所谓“叠加态”的微观粒子之状态是不确定的。例如，电子可以同时位于几个不同的地点，直到被观察测量（观测）时，才在某处出现。这种事如果发生在宏观世界的日常生活中，就好比：我在家中何处是不确定的，你看我一眼，我就突然现身于某处——客厅、餐厅、厨房、书房或卧室都有可能；在你看我之前，我像云雾般隐身在家中，穿墙透壁到处游荡。这种“魔术”别说常人认为荒谬，物理学家如薛定谔也想不通。于是薛定谔就编出了这个佯谬，以引起注意。果不其然！物理学家争论至今。
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薛定谔猫佯谬是一个设计巧妙的理想实验：将一只猫关在箱子里，箱内还置有一小块铀、一个盛有毒气的玻璃瓶，以及一套受检测器控制的、由锤子构成的执行机构。铀是不稳定的元素，衰变时放出射线触发检测器，驱动锤子击碎玻璃瓶，释放出毒气将猫毒死。铀未衰变前，毒气未放出，猫是活的。铀原子在何时衰变是不确定的，所以它处于叠加态。薛定谔挖苦说：在箱子未打开进行观测前，按照量子力学的解释，箱中之猫处于“死－活叠加态”——既死了又活着！要等有人打开箱子看一眼才能决定猫的生死。这个理想实验的巧妙之处，在于通过“检测器－锤子－毒药瓶”这条因果链，似乎将铀原子的“衰变－未衰变叠加态”与猫的“死－活叠加态”联系在一起，使量子力学的微观不确定性变为宏观不确定性；微观的混沌变为宏观的荒谬——猫要么死了，要么活着，两者必居其一，不可能同时既死又活！难怪英国著名科学家霍金听到薛定谔猫佯谬时说：“我去拿枪来把猫打死！” 5 L7 s+ Q$ {4 L( |6 Q
" P- C C/ e( d4 ]( s* A& r$ Z 薛定谔猫佯谬实际上提出了一个十分重要的问题：什么是量子力学的观测？观察或测量都与人的主观有关，而人在箱外，所以必须打开箱子才能决定猫的死活。谁都知道箱中猫的死活是由铀的衰变决定的——衰变前猫是活的，衰变后猫就死了，这与是否有人打开箱子进行观察毫不相干。所以毛病出在观测的主观性上，应该朝这个方向寻根究底。 ' P9 U3 P6 K! ]7 X0 g, Z( I
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微观的观测与宏观的观测有所不同。宏观的观测对被观测对象没有什么影响。俗话说：“看一眼总行吧。”意思是对所看之物并无影响，用不着担心。微观的观测对被观测对象有影响，会引起变化。以观测电子为例，要用光照才能看见，光的最小单位光子的能量虽小但不是零，光子照到被观测的电子上，对电子的影响很大。所以，在微观世界中看一眼也会惹祸！ 7 g# S$ F. @/ s$ G( y! G' Y5 c
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量子力学认为，观测的结果使得被观测对象的状态改变了：一个确定态从原先不确定的叠加态中蹦了出来。再追究下去，观测无非是观测手段（如光子）与被观测对象（如电子）之间的一种相互作用，这种相互作用并不一定与观测者联系起来，后者可以用检测器之类的仪器代替。经过几十年的探索，物理学家终于认识到：在由叠加态到确定态的转变中，观测曾经扮演的角色应该以相互作用来代替，这样不仅更普遍而且更客观。具体到薛定谔猫佯谬，就能将人的主观因素完全排除——猫的死活不是由人开箱看猫一眼所决定的。 , u8 l0 W0 E# f- x% }7 }
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但是，箱中猫的“死－活叠加态”究竟是怎么一回事呢？ ) N5 f$ n# u6 k. `* _
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6 d6 _/ N. E( J7 U* h& A 物理学是实验科学，一切要由实验来判定。较早的一批关于“薛定谔猫”的实验[3,4]是将处于叠加态的单个原子或分子从周围环境中孤立起来，然后以可控制的方法使之相互作用，以观察其变化。结果发现，关键在于环境的相互作用，它导致原先的量子叠加态转变为经典的确定态。但是将这些实验对象当作薛定谔猫是一种极度的简化，单个原子或分子与薛定谔猫相去何止十万八千里。 : d8 L6 K' n1 V& G# n
4 l6 w0 J$ z) K8 ?2 ?3 T 这次《自然》报道的实验[5]与上述那些实验不同。纽约州立大学石溪分校弗里德曼（J. R. Friedman）等人拿来做实验的“薛定谔猫”不是单个粒子，而是在接近绝对零度的超导体环形电路中由几十亿对电子构成的超导流。实验证明，这种由大量粒子构成的宏观量子系统也可以处于叠加态——相当于薛定谔猫的“死－活叠加态”。几十亿对电子构成的超导流当然还不能与几亿亿亿个原子构成的猫相比，但较之单个原子分子毕竟前进了一大步。所以有人惊呼：“薛定谔猫变胖了！” , l/ Z d, I( F3 w$ t
0 C7 g) {) ], Y' i3 q/ ]! {+ a. V3 Z 下一步是否拿一只真的猫来做实验呢？不可能！首先是无法将之与周围环境隔离——置于真空中的猫马上会死掉。其次，与接近绝对零度的超导流不同，常温下的猫根本不是宏观量子系统，何来叠加态？而且也没有必要做这样的实验，物理学家根据现有的实验结果，对薛定谔猫为什么不可能有“死－活叠加态”已能作出符合量子力学的解释。 0 N) ~$ W# l: _% q8 c+ @
; |2 `4 B- A9 |* ^9 ]( c! P* f 读者会说：“不就是一只假想的猫吗，让霍金开枪打死不就完了。”事情并非那么简单，否则许多物理学大师就不会那么孜孜以求了。薛定谔猫佯谬衍生出更深刻的问题：大量原子、分子所构成的生物与这些微观粒子遵从的量子力学规律之间的关系究竟是什么？这不仅是重要的理论问题，而且具有实际意义。例如，自我意识的机制至今仍然是未解之谜，有人认为可能与量子力学或者更深层次的微观规律有关。再如思维过程中的“顿悟”，会不会与前述之“一个确定态就从原先不确定的叠加态中蹦了出来”有关呢？可能有关的还有：生命的起源、物种的变异、光合作用的机制……如此等等。总之，生命的秘密和思维的奥妙不可能与量子力学的规律无关。这就难怪薛定谔后来转而对生命科学很感兴趣了。1946年他写出了著名的《生命是什么》一书，提出了一些很有创见的观点。遗憾的是，在他有生之年，那可怜的箱中之猫依然生死不明。 , ?2 N. ]0 E2 _$ n' M: Z% r* I
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意犹未尽，继之以诗： ; [+ A$ |% [ k. z8 N' S
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- `+ |( K: x8 E: _/ m8 p* E 西谚云猫有九条命 - o; A2 s3 J4 Q* S9 L6 x( L+ f
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不死之猫居然生死不明 + ` B- ^# v* T; i2 {& e( C
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为什么还不从箱中蹦出来
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朝着薛定谔的幽灵“妙呜”一声 ' H; V2 W& W8 z1 b
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+ X4 G) p9 v+ P0 G C* i* I （本文初稿经复旦大学物理系倪光炯教授及浙江大学物理系朱雪天教授过目，作者感谢他们提出的宝贵意见。） 4 I9 Q1 C9 K2 N, d& z, b
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[1] Blatter G. Nature, 2000,406：25
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/ {* o2 {: S# y% }9 x [2] Schrdinger E. Naturwissenschaften，1935,
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[3] Myatt C J, et al. Nature, 2000, 403:269 8 w% \( ~/ t) J* O, o
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[4] Arndt M, et al. Nature, 1999, 401:680
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9 H1 S1 T/ G- }6 C [5] Friedman J R, et al . Nature, 2000，406：43
