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2015年07月03日 来源:百道网
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出版社:海南出版社
著名的猫悖论最初发表于1935年(《Naturwissenschaften》第23卷812页),与EPR文章是在同一年。爱因斯坦将薛定谔的意见看作是证明“对波动的描述是不完备的”的“最佳途径”。?(作为例子,参见薛定谔的《波动力学书信集》第16~18封。)猫悖论和EPR观点在今天的量子理论中还经常讨论着。然而,与EPR论断所不同的是,猫悖论还没有解决到使大家都满意的程度。
然而,这个思想实验背后的概念是很简单的。薛定谔提议,我们可以设想,在一个匣子中存在一个辐射源、一个用来记录辐射粒子的检测器(可能是一个盖草计数器)、一瓶毒药例如氰化物和一只活猫。匣子中的装置使得检测器的打开时间仅足以使辐射材料中的一个原子有百分之五十的机会发生衰变,同时检测器将记录下这个粒子。如果检测器确实记录下一个这样的事件,那么玻璃瓶将破碎,因而猫将死去;否则,猫将活着。在我们打开匣子进行察看之前,是没有办法知道实验结果的。辐射衰变的发生完全是偶然的,除了在统计的意义上之外是不可预测的。根据严格的哥本哈根解释,就像在双孔实验中电子通过两孔中的哪一个孔的概率相同一样,这两种可能性的重叠将产生一个态的“叠加”。所以在这种情形下,辐射衰变与否具有相等的概率,从而产生一个态的叠加。这整个实验,猫和所有的一切,都受这样一个规则所支配:只有当我们观察这个实验的时候,叠加才是“真的”,只有在观察的一瞬间,波函数才坍塌为其中一个态。在我们向里面观察之前,辐射样品既是衰变的,又是不衰变的;毒药瓶既不被打破,又被打破;猫既是死的,又是活的;既不是活的,也不是死的。
想象一个基本粒子,例如电子既不在这里又不在那里,而是以一定概率在空间分布着的,这是可以理解的。然而难以想象的是一个非常熟悉的事物,像猫处于这种形式的假死状态。薛定谔构想这个例子是为了说明在严格的哥本哈根解释中存在着瑕疵,因为很显然这只猫不可能同时既是活的,又是死的。但是,这种情形相比如下的“事实”——一个电子不可能同时既是粒子又是波——更加“显然”吗?常识已经作为量子世界的向导接受了检验,这也是所希望的。对于量子世界,不要相信我们的常识,而要相信我们直接看到的或者用实验设备准确检测到的,对于这一点我们是有把握的。如果不进行观察,我们就不知道匣子中发生 了什么。
关于匣子猫的讨论已经持续了50年。一派认为这是不成问题的,因为猫完全可以确定它自己是活的还是死的。猫的意识足以使波函数坍塌。在那种情形下,你从何谈起呢?一只蚂蚁或一个细菌能知道所发生的一切吗?换个角度来考虑,既然这仅仅是个思想实验,那么我们就可以假想用一个人来代替匣子中的猫(这个人有时称为维格纳的朋友。尤金·维格纳是一位物理学家。他曾经深刻地思考了匣子中的猫这一实验的有关变化)。匣子中的人显然是一个胜任的观察者,他具有量子力学的能力,足以使波函数坍塌。当我们打开匣子时,假如我们有幸看到他还活着,那么我们有把握他不会向我们报告任何神秘的实验,而仅仅会告诉我们:辐射源在给定的时间内没有辐射任何粒子。然而对于匣子外面的我们来说,对于匣子中的情况所能做的唯一正确的描述——就是它处于多个态的叠加态,除非我们进行观察。
可以依此类推下去。假设我们对这个充满阴谋的世界提前宣布这个实验(但要避免新闻界的介入,关起门来做这个实验)。那么当我们打开匣子迎接我们的朋友,或者拉出里面的尸体时,外面的报告者并不知道正在发生什么事情。对于他们来讲,我们的实验室所在的整个大楼都处于一些状态的叠加当中。如此等等,在一个无限的复归当中变化。
如果我们用一台计算机来代替维格纳的朋友,这台计算机可以记录辐射衰变与否的信息,那么,一台计算机能使波函数(至少在匣子里面)发生坍塌吗?为什么不能。然而根据另一种观点,与实验结果有关的不是人的意识,或者活着的生物的意识,而是这样一个事实:事件的结果在量子水平上进行了记录,或者对宏观世界造成了影响。辐射原子可能处在多个态的叠加当中,但是只要盖草计数器已经“看到了”衰变结果,那么这个原子就被迫进入这个或那个状态,或衰变或者不衰变。
因此,与EPR思想实验不同,匣子中的猫这一实验确实具有悖论的意义。在不接受“死——活”猫这样一个“现实”的情况下,是不可能与严格的哥本哈根解释达成一致的。因为原因和结果的无限复归,这个悖论曾经使维格纳和约翰·惠勒考虑过这种可能性:高级生物的观察导致了整个宇宙的“真实”存在。量子理论内禀的所有概率性所导致的最重要的悖论,是薛定谔的猫的直系后代。它开始于惠勒所称的“延迟选择实验”。
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