當我們不看月亮的時候，它還在那里嗎？ | 曹天元

讀書作樂 2020-02-10

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2003年，有一天我突然心血來潮，想在網(wǎng)上連載關于量子力學的科普文章，沒想到后來這些文章集結出版了，書名叫《上帝擲骰子嗎》。

當時互聯(lián)網(wǎng)處在剛剛起步的階段，普通人對量子這個名詞是非常陌生的，更不要說薛定諤的貓了，大家可能以為是一位姓薛的大爺養(yǎng)的一只貓。

當年我萬萬沒有想到，在接下來的十多年里，量子這個詞迅速在大眾中普及開來，到今天已經(jīng)變成了非常流行和時髦的名詞。

今天，量子已經(jīng)深入到每個人的日常生活，包括小說、動漫、電影、電視，都在不斷借鑒量子的概念。我們跟朋友聊天的時候好像不扯幾句量子就顯得不夠高大上。

借著量子的名頭也有很多無良的商家在趁機推銷一些產(chǎn)品，比如量子鞋墊、量子減肥，還有最新很火爆的量子波動速讀?？破帐呛檬聝海且_的科普，不要被忽悠了。

薛定諤的貓就是一個很典型的例子，很多人都或多或少聽說過這個名詞，但是我發(fā)現(xiàn)很多人對所謂薛定諤的貓的問題是有一定誤解的。

網(wǎng)上有很多關于薛定諤的貓的科普文章也是經(jīng)過夸張的，甚至有一些誤導的內(nèi)容在里面。

可能很多人都不知道，如果把薛定諤的貓這個問題單獨拿出來說的話，其實我們已經(jīng)有了這個問題的答案，但是可能還有很多人不知道。所以我就詳細地講一講這只著名的又死又活的貓。

薛定諤的貓是死還是活？

薛定諤的貓到底是什么問題？首先，量子論里面一個非常有意思的概念叫作量子疊加態(tài)，如果我扔一枚硬幣，然后我把這枚硬幣抓在手里面，在我沒有看這枚硬幣的時候，它是什么狀態(tài)呢？在傳統(tǒng)的、經(jīng)典的物理學看來，這枚硬幣一定有一個確定的狀態(tài)。

雖然我沒有看，但是它要么是正面，要么是反面。但是量子論就不一樣了，量子論認為在我們沒有看這枚硬幣的時候，這枚硬幣處在正面+反面的狀態(tài)，就是量子疊加態(tài)。

在不那么嚴格的意義上，你可以想象成這枚硬幣在我沒有看它的時候，它既是正面又是反面。所以量子疊加態(tài)在量子論里面是非常普遍的一個狀態(tài)。

如果我們現(xiàn)在問一個電子在哪里？我們通常把電子想象成一個小球，但是如果它是一個普通的小球，比如說一個籃球，那么它一定有一個確定的位置，要么在這里，要么在那里，它不能同時在兩個地方。

但是量子論認為一個電子如果沒有觀察它的時候，它很可能處在A點+B點的疊加態(tài)。

為什么一個電子又在這里，又在那里？聽起來讓人覺得很奇怪，如果我換一個問題，可能就沒那么奇怪了。如果問我的聲音在哪里，你們會怎么回答？

很明顯，既然我在這里說話，所有人都可以聽見我的聲音，那么我的聲音肯定是既在這里又在那里。

為什么我這樣說你們覺得不習慣？因為我的聲音是一種波動，是聲波。作為一種波，它必然可以充斥著整個空間，在你們每個人的耳邊，所以它處在一種空間疊加的狀態(tài)。

量子論為什么說電子既在這里又在那里？因為在量子論看來，任何的東西，不管是電子也好，光子也好，原子也好，所有的粒子都被認為在某種程度上同時也是一個波，這就是波粒二象性。

圖中是著名的薛定諤方程，這個方程的意思是量子論認為任何粒子都應該嚴格按照薛定諤的方程來運動。薛定諤方程描述的就是一個波動，所以也叫作薛定諤波動方程。

薛定諤是奧地利著名的物理學家，量子力學的創(chuàng)始人，薛定諤方程是他在實驗中總結出來的。來看一看著名的雙縫干涉實驗。

如果把一束光通過開著兩道狹縫的面板，投到后面的投影屏上，會出現(xiàn)一明一暗的條紋，即雙縫干涉條紋，這很明顯就是波動的一個性質(zhì)體現(xiàn)。

我們知道光是一種電磁波，我們發(fā)現(xiàn)如果把一個個電子同樣地打向開雙縫的面板，然后投到后面的投影屏上，也會出現(xiàn)一明一暗的條紋，說明電子也有波動的性質(zhì)。

電子不是一般的波，它跟聲波還不一樣。聲波確實可以被人們聽到，但是如果我們觀測一個電子，就從來不會看到它同時出現(xiàn)在兩個地方，如果你真的去看一個電子，它有一個確定的位置。但是你不看它的時候，它通過雙縫，就表現(xiàn)得像個波。

當時創(chuàng)立量子力學的創(chuàng)始人們想出一個解釋，他們認為電子不是一般的波，它是概率波，換句話說電子的波不是實體，是它出現(xiàn)的各種可能性的疊加，這些疊加加起來像一個波。

當我們不看電子的時候，電子長得像波的模樣，像各種概率的疊加。但是如果我們?nèi)ビ^測它，一看它的時候，這個波就坍縮了，電子就會出現(xiàn)在某個地方。

如果我們看它的時候，它又變成了概率波，然后我們再一看，它又出現(xiàn)在另外一個地方。出現(xiàn)在哪里是隨機的，我們不知道它會出現(xiàn)在哪里，它的可能性大小是根據(jù)這個波的強度來分布的。

這就是當年創(chuàng)立量子力學的人對量子力學的解釋，因為這些人基本上都在丹麥歌本哈根物理研究所，所以這個解釋就被稱為哥本哈根解釋。

這種解釋是不是有點奇怪？你不看電子的時候，它就是一個概率波，你一看它，它就隨機出現(xiàn)在某個地方。

當時,很多著名的科學家也覺得這種解釋很奇怪，最著名的兩位就是薛定諤和愛因斯坦，他們就覺得哥本哈根解釋很奇怪，是荒謬的。

愛因斯坦當時說了一句名言：當我們不看月亮的時候，它還在那里嗎？

因為月亮同樣也是由原子、分子夠成的。如果按照量子論的說法，任何一個粒子在沒有看它的時候，它是一個概率波，那么就說明我們沒有看月亮的時候，月亮也是一個概率波。

所以愛因斯坦和哥本哈根學派就展開了科學史上最著名的關于量子論的本質(zhì)的一場論證。

薛定諤是站在愛因斯坦這邊的，雖然薛定諤方程是他提出來的，但是他認為哥本哈根學派所謂的概率波解釋是不對的。

薛定諤很贊同愛因斯坦的想法。他本人后來也想出了一個例子，同樣來質(zhì)疑哥本哈根學派這些人，這就是大名鼎鼎的薛定諤的貓。

薛定諤的貓是什么意思呢？薛定諤說假設有一枚硬幣，拋一下，它有正面和反面兩種狀態(tài)，按照量子論的解釋，我不看這枚硬幣的時候，這枚硬幣是正面和反面的疊加，既是正面又是反面。

假設這枚硬幣確實是正面和反面的疊加，我現(xiàn)在把它放到一個箱子里，箱子里有一套連鎖裝置，如果硬幣是正面，就會觸發(fā)機關，把毒氣放出來。

箱子里放一只貓，毒氣放出來，貓就被毒死了。如果反過來，硬幣是反面，一切就保持原狀，貓就活著。

薛定諤問：如果這個箱子是不透明的，我們沒有打開箱子看之前，請問這個貓是什么狀態(tài)？

很明顯，如果你說這個硬幣是正面+反面的疊加態(tài)，按照邏輯推導，我們馬上就可以知道這只貓是什么狀態(tài)。這只貓必然是一個活貓和死貓的疊加態(tài)。

粒子太小了，我們看不見是不是疊加態(tài)，但是貓是一個我看得見也摸得著的東西。從日常經(jīng)驗我們就知道，一只貓不可能又死又活的，那么反過來就可以證明，微觀上粒子的疊加態(tài)也是不成立的。這是一個反證法。

但是薛定諤的貓?zhí)岢鰜硎?935年，是80多年前了。量子力學又發(fā)展了80多年，我們做了越來越多的實驗，越來越多的證據(jù)表明其實在微觀層面上確實存在著量子疊加態(tài)，但是很明顯，我們在生活中沒有見過一只又死又活的貓，所以這就變成了薛定諤的貓帶來的難題。

量子糾纏和量子退相干

如果在微觀層面上確實存在著量子疊加態(tài)，那么這種疊加態(tài)為什么沒有被放大到宏觀層面呢？這個問題我們現(xiàn)在基本上有答案了，這個答案的名字叫作“量子退相干”。

在講量子退相干之前，我們先講講量子論里面一個神奇的屬性——量子糾纏。量子糾纏這個詞前幾年很火，據(jù)說這個名詞特別文藝，受到文藝青年的追捧。

量子糾纏是什么意思呢？舉個例子，如果有一男一女，假設他們每天穿的衣服可以隨機選擇顏色，假設有藍色和綠色，男生可以選藍色或者綠色，女生也一樣。

如果男生和女生之間沒有關系，是互相獨立的，那么他們穿衣服的顏色也是獨立的，簡單排列組合后有四種可能性。

什么是量子糾纏？比如說他們談戀愛了，他們就糾纏在一起了，變成一對之后，他們要穿一樣顏色的情侶裝，這樣一來，他們穿衣服的可能性就只有兩種，要么是藍色，要么是綠色。在量子論里面，這就是所謂的量子糾纏。

回到薛定諤的貓的故事，本質(zhì)上就是一個量子糾纏的故事。一枚硬幣有兩種狀態(tài)，要么是正面，要么是反面；貓也有兩種狀態(tài)，要么是活貓，要么是死貓。

如果這枚硬幣和貓沒有關系，它們之間互相獨立的話，本來也應該是排列組合4種可能性。

但是當我們把貓放進箱子里之后，因為設定了連鎖裝置，就發(fā)現(xiàn)它們之間產(chǎn)生了糾纏狀態(tài)，它們只剩下兩種可能性。如果硬幣扔出正面，貓就死了，反之貓就活了，它們之間產(chǎn)生了糾纏。

在量子論看來，糾纏就是兩個系統(tǒng)變成了一個整體，它們的狀態(tài)不再是互相獨立的，而是一個整體。如果兩個系統(tǒng)之間發(fā)生了交互作用，它們的狀態(tài)被關聯(lián)在一起了，這個就叫作量子糾纏。

剛才男生與女生的糾纏是一個人跟一個人的糾纏，是一對一的糾纏。貓是一個宏觀物體，組成貓的粒子可能有1000億億個。貓跟一個粒子發(fā)生糾纏，換句話說就是一個粒子和一大堆粒子的糾纏。

在量子論里面，量子糾纏的最大糾纏只能是一對一，一個粒子跟你糾纏了就不能跟另一個粒子再糾纏了。

但是對貓來說，雖然作為一個整體和一個粒子糾纏了，但是它身上有很多個粒子，你不能阻止它身上每一個單獨的粒子再繼續(xù)和外界發(fā)生各種糾纏。

糾纏就是發(fā)生相互作用，一只貓雖然關在箱子里，但是除非這個箱子是一個異次元空間，否則貓仍然不可避免地要和外部的環(huán)境發(fā)生作用，貓要呼吸，放出熱量，在隱蔽場里接受宇宙微波背景的輻射，所有這一切都說明貓身上的粒子在和外部的環(huán)境發(fā)生越來越多的糾纏。

量子糾纏是個很神奇的現(xiàn)象，一旦糾纏建立之后，哪怕一個粒子飛到宇宙的盡頭，兩個粒子之間仍然可以保持著糾纏。

所以貓和粒子糾纏之后，它身上的各個粒子仍然不停地和外界繼續(xù)產(chǎn)生糾纏，所以在薛定諤的貓的箱子里發(fā)生了什么事情？首先，把貓放進去之后，貓和原來的那個粒子糾纏在一起，它們是一個整體系統(tǒng)。

然后在很短的時間里，貓身上的粒子繼續(xù)和外部的環(huán)境發(fā)生各種糾纏，這個糾纏可以傳遞得很快，在很短很短的時間里，這些糾纏可以彌漫到宇宙的盡頭，換句話說這只貓很快就跟整個宇宙環(huán)境都糾纏在一起了，是不可分割的一個整體了。

那么當我們打開箱子看這只貓的時候會發(fā)生什么事情？很明顯，因為我們也是宇宙環(huán)境中的一部分，所以當我們打開箱子看貓的時候，看到的不是一只完整的貓，看到的是一只剔光了毛的貓，只看到了貓本身，但是你看不到這只貓跟整個宇宙的各種糾纏，除非你觀察到整個宇宙的信息，不然的話，你是把所有這些信息都忽略掉了，你只看貓本身。

在這種情況下，我只看到了貓本身，但是我忽略了所有它和環(huán)境的糾纏信息。這種情況下會發(fā)生什么？這就是量子退相干登場的時候了。

退相干告訴我們一件事情，當你觀測一個系統(tǒng)的時候，如果你忽略了這個系統(tǒng)跟所有環(huán)境的糾纏信息之后，這個系統(tǒng)的疊加性就會迅速消失，就會退化成經(jīng)典概率的情況。

這就是為什么我們看不見一只又死又活的貓。本質(zhì)上退相干是一個可以被嚴格證明的數(shù)學理論，它是經(jīng)過數(shù)學推導可以證明的。今天不談數(shù)學，只是打個比喻。

你可以把量子的疊加態(tài)看成一滴墨水，本來它在一個小小的粒子上面是一滴墨水，當把這個粒子和貓糾纏在一起之后，相當于把這滴墨水放到一個杯子里（貓相當于一個杯子），很快這個疊加態(tài)就變成了整個系統(tǒng)的疊加態(tài)，相當于這滴墨水混合到整個杯子里面了。

但是貓是很大的物體，它不可避免地要和周圍環(huán)境繼續(xù)發(fā)生作用，所以你可以想象這個杯子其實不是密封的，渾身是洞，而且杯子是放在汪洋大海里。

在很短的時間里，這一杯墨水會迅速跟周圍的海水發(fā)生均勻的混合，也就是這滴墨水很快被稀釋到整個大海里了。

這時，如果你再去看杯子本身，你是看不到墨水的，看到的是非常干凈的水。你看不到疊加態(tài)，疊加態(tài)消失了，它退相干到整個環(huán)境里了。

為什么我們看不到又死又活的貓？是因為貓很大，它又和周圍的環(huán)境發(fā)生作用，而你看不到整個宇宙環(huán)境和貓的糾纏，只看到了貓本身，所以你只能看到一只要么死、要么活的貓。聽起來好像很懸，但是退相干不僅是數(shù)學上的推導，它是可以被實驗所證明的。

退相干是20世紀80年代提出的，在接下來的幾十年里，我們做了很多很多的實驗，徹底證明了退相干的存在。

退相干不僅僅是瞬時的，它是有時間差的。1996年，法國物理學家阿羅什第一次在實驗室里看到了一個很小的系統(tǒng)，是怎樣隨著時間一點一點地消失了它的疊加態(tài)，而且和理論可以完美地符合。因為這項工作，他獲得了2012年的諾貝爾物理學獎。

到今天為止，我們又做了更多的實驗。今天，學界公認的是退相干是一個客觀存在的、確確實實可以被檢驗的狀態(tài)，所以對這一點是無須懷疑的。

退相干不僅是理解宇宙的途徑，它還成為一個非常實用的工具。比如現(xiàn)在前沿的研究，像量子計算機，量子通信。量子計算機為什么能夠在某些問題上比普通計算機算得快？就是利用了量子疊加態(tài)。

普通計算機計算一個比特，要么是0，要么是1，但是量子計算機是一個量子比特，是0和1的疊加，所以量子計算機如果算一個10位數(shù)，它不僅是算一個數(shù)，而是同時算了2 ¹⁰的數(shù)，因為每一位都是0和1的疊加。

如果我們要造出很好的量子計算機，最大的困難是保持這個系統(tǒng)的疊加態(tài)，因為只有疊加狀態(tài)才能進行量子計算。

怎樣才能讓一個系統(tǒng)保持量子疊加？退相干告訴我們，盡量讓它與世隔絕，與環(huán)境隔絕得越徹底，退相干就越不容易發(fā)生，量子疊加態(tài)就越容易保持。

我們不僅實現(xiàn)了原子、電子的疊加態(tài)，1999年的時候就做出了富勒烯，也就是碳60的疊加態(tài)。今年的11月1日，奧地利物理學家宣布他們已經(jīng)實現(xiàn)了接近2000個原子的大分子的疊加態(tài)。

很多科學家正在努力把這個疊加態(tài)保持在細菌層面。換句話說，在不久的將來，雖然我們還做不出薛定諤的貓，但是很可能會實現(xiàn)薛定諤的細菌，這一切就是退相干告訴我們的原理。

總結一下，剛才我們回顧了薛定諤的貓是什么問題，它本質(zhì)上就是問為什么微觀的量子疊加不能被放大到宏觀。這個問題我們已經(jīng)知道答案了，答案是量子退相干。

量子退相干告訴我們?yōu)槭裁次⒂^會有疊加態(tài)，宏觀物體就沒有，因為宏觀物體會和環(huán)境發(fā)生糾纏。所以你看不到它的疊加態(tài)。就像今天我站在這里有一個確定的位置，沒有又在這里又在那里疊加。

因為你看到的只是屬于我本身的很小一部分的信息，你看到的不是一個完整的我，我的大部分信息在跟宇宙環(huán)境糾纏。但是你們看不見這些，你們把它忽略掉了，所以你們看我是一個確定的宏觀物體。這就是神奇的量子疊加。

量子論里尚有難題未解

雖然量子退相干回答了薛定諤的貓這個問題，但是它也并沒有解決量子論里面所有的難題。

量子論是一個非常神奇的理論，雖然它創(chuàng)建于一百多年前，對我們的生活產(chǎn)生了巨大的影響，已經(jīng)構成了現(xiàn)代物理學的支柱，但是它還有很多基本的難題并沒有得到解決。

直到今天，物理學家仍然在爭論。退相干仍然沒有回答一些基本的量子力學的問題，包括所謂的疊加態(tài)到底是真實的狀態(tài)，還是為了方便而假設的一種數(shù)學模型，包括疊加態(tài)會徹底消失嗎？我們觀測這只貓是死是活，它到底是怎么選擇出來的？為什么宇宙里面有概率這個東西？

這些問題還沒有得到解決，仍然在爭論中，留待未來去研究和發(fā)現(xiàn)。

如果我們是上帝，如果我們開了天眼，我們一看這只貓，同時也觀測了整個宇宙，就知道它所有的跟宇宙糾纏的信息，那時候會發(fā)生什么事情？

有一種量子論解釋認為，如果你真的能夠觀測到整個宇宙的話，你會發(fā)現(xiàn)疊加態(tài)仍然是存在的，不會消失。

就像那滴墨水一樣，你在杯子里看不到墨水，但是如果你有本事觀察整個大海，就會發(fā)現(xiàn)這滴墨水沒有消失，就跟能量一樣，既不會憑空創(chuàng)造也不會憑空消失。

我不知道這種解釋是對還是錯，有可能對也有可能錯，我們還在爭論。如果真的是這樣，薛定諤的貓仍然是疊加狀態(tài)，雖然我們是宇宙的一部分，在我們眼里看來，這只貓可能是確定的活或死。

但是也許在整個宇宙中，薛定諤的貓的生死仍然在疊加，在糾纏，或許這就是薛定諤的貓神奇的結局，答案究竟怎么樣，還要交給未來去探討。

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