薛定谔的猫

​ 为了一只猫的死活,100 年前的天才哲学家,学历最高的足球运动员,撩妹无数的量子力学教授……他们都在纠结个啥?

多数人为了逃避真正的思考愿意做任何事情。 ——王兴

​ 另一些人,却恰恰相反——他们做任何事,都是为了纠结,下面我要说的,就是另一些人的故事。

学历最高运动员

​ 1908 年夏天。

​ 丹麦,哥本哈根。

​ 一名足球运动员正在思考自己的前程。

​ 23 岁,是时候做个决定了。比自己小两岁的弟弟,已经成为国奥队的中场核心。在刚刚结束的伦敦奥运会上,哈那德·玻尔率丹麦队 17:1 血洗法国队,斩获银牌创造「丹麦童话」,一夜之间成为家喻户晓的球星。

​ 而我,作为丹麦最强俱乐部——哥本哈根 AB 队的主力门将,居然从未入选国家队,这简直是一种耻辱。

​ 国家队大名单里怎能没有我?

​ 教练说我什么都好,唯一的弱点是喜欢思考人生。

​ 上次和德国米特韦达队踢友谊赛,对手竟敢趁我在门框上写数学公式的时候,用一脚远射偷袭,打断我的思路!最后一刻不还是被我的闪电扑救解围,要是后卫早点上去堵枪眼,那场球踢完就可以交作业了。

​ 是成为世界最伟大的门将,还是成为世界最伟大的物理学家,这是一个问题,我需要纠结一下。

尼尔斯·玻尔

尼尔斯·玻尔

​ 第一章里我们讲到,100 多年前,为了搞清光子究竟是波还是粒子,科学家们被一个貌似简单的「双缝干涉」实验弄到集体「精分」。

​ 这个实验明白无误地说明,光子既可以是波,也可以是粒子。

​ 至于它到底是什么,取决于你的 观测姿势

​ 装摄像头观测光子的位置,它就变成粒子;不装摄像头,它就是波!

​ 我们曾经天真地以为,无论用什么样的姿势看电视直播,都不可能影响球赛结果,可是在微观世界中,这个天经地义的常识好像并不成立,这就是那么多高智商理工男懵逼的原因。

​ 但是在玻尔看来,将宏观世界的经验常识套用到微观世界的科学研究上,纯属自寻烦恼。

​ 通过常识,我们可以理解一个光滑小球的物理属性;但是凭什么断定,组成这个小球的万亿亿亿个原子,也一定有着和小球完全相同的属性?

​ 凭什么在微观世界中,原子、电子、光子,一定要遵循和宏观世界同样的物理法则?

​ 一般人纠结的问题无非是:量子世界的物理法则为什么这么奇怪啊……

​ 只有天才,能够直截了当问出关键问题:这些法则是什么?

​ 严格来说,量子理论是一群人,而不是一个人创立的。但是如果一定要选出一个「量子力学代言人」的话,我觉得非玻尔莫属,因为当别人纠结的时候,他第一个想通了。

如果认为物理学家的任务是发现自然是什么,那就错了

物理学关心的是,我们关于自然能说什么

​ ——尼尔斯·玻尔

​ 通过前面那些烧脑的实验,玻尔总结了量子世界的三大基本原则:

  • 态叠加原理

    在量子世界,一切事物可以同时处于不同的状态(叠加态),各种可能性并存。比如,在双缝干涉实验中,一个光子可以同时处在左缝和右缝。这种人类无法想象的叠加态,才是最普通不过的本质形态;而在我们看来「正常」的非黑即白,才是一种特例。

  • 测不准原理

    叠加态是不可能精确测量的。比如,精确测出了粒子的位置,但它的速度却永远测不准!这并不是因为仪器精度不够高,其实,仪器再好都没用。这个不可能是被宇宙规律所禁锢的「不可能」,而非「有可能但目前做不到」。

  • 观察者原理

    虽然一切事物都是多种可能性的叠加,但是,我们永远看不到一个既左且右、又黑又白的量子物体。只要进行观测,必然看到一个确定无疑的结果。至于到底看到哪个态则是随机的,其概率高低取决于叠加态中哪个态的成分居多。

​ 这样一来,实验解释起来就轻松多了:

「双缝干涉」实验的官方解释:

​ 没装摄像头:光子在未观测的情况下处于「多种可能性并存」的叠加态,以 50% 的概率同时通过了左缝和右缝,形成干涉条纹;

​ 装上摄像头:光子被观测后只能处于一个态,不能神奇地同时穿双缝了,所以干涉条纹就消失了。

​ 这就是目前量子力学教科书上的正统理论:哥本哈根解释。

​ 终于,一切都有了答案。有了答案吗?因为完美解释了双缝干涉等灵异现象,玻尔一(四)夜(面)成(树)名(敌)。

​ 但小伙伴们却纷纷表示:这个理论不仅反直觉反人类,而且 bug 点很多!

​ 比如,没有观测时,光子是混沌中的叠加态;观测的一瞬间,光子就变成了单一的确定态,请问两种态是怎样无缝切换的?

​ 按照玻尔的说法,观测的一瞬间,光子就随机蜕变成多种可能中的一种,还把这个过程取名叫 「塌缩」 。具体怎么个塌法,玻尔自己也说不清。

​ 再比如,既然触发「塌缩」的前提是「观测」,那么谁能够成为合格的观察者呢?

​ 科学家、人类、一切生命体、还是包括人工智能在内的任何智慧形态?

​ 众说纷纭之际,给玻尔带来致命一击的,是一只猫。

一只猫的拷问

​ 10 年前,正是薛老师亲手写下了量子波动方程,与矩阵力学、路径积分一起,被后人并称为量子力学的三大基石。

​ 10 年后的 1935 年,对「哥本哈根解释」的群起而攻之,薛老师打响了第一枪。

​ 当时,几乎所有人觉得「叠加态」是个纯属幻想的玩意儿,却没人能真正驳倒玻尔和他的哥本哈根学派。

​ 因为,「态叠加」「测不准」「观察者」无论这三大原理违和感多么强,都被玻尔视作量子世界不可挑战的公理。所谓公理,就像「两点之间有且只有一条直线」,或者牛顿力学三定律一样,是无法、也无须证明的宇宙基本大法。

​ 在玻尔看来,物理学家的任务是透过现象找规律,而不是去质问上帝:你为什么要把宇宙设计成这样子?

​ 而且,凭什么微观世界的宇宙法则,一定要和宏观世界的生活经验相符呢?

​ 无懈可击的玻尔之盾,也只有金枪不倒的薛定谔之矛能够与之一战。

​ 「薛定谔的猫」 就是薛老师用来挑战玻尔的头脑实验(以下实验纯属想象、推理,没有任何无辜的猫因此而被害)。

​ 把一只猫关在封闭的箱子里。

​ 和猫同处一室的还有个自动化装置,内含一个放射性原子:如果原子核衰变,就会激发α射线->射线触发开关->开关启动锤子->锤子落下->打破毒药瓶,于是猫当场毙命。

​ 在这个邪恶的连环机关中,猫的死活直接取决于原子是否衰变;然而,具体什么时候衰变是无法精确预测的随机事件。

​ 只要不打开盒子看,我们就永远没法确定,猫此时此刻到底是死是活。

​ 刑具准备完毕,现在,薛老师对玻尔的拷问开始:

    1. 原子啊、衰变啊、射线啊,这些都属于你们整天研究的「微观世界」,自然得符合量子三大定律,没错吧?
      2. 按照玻尔你自己的说法,在没打开盒子观测之前,这个原子处于「衰变」+「没衰变」的叠加态,没错吧?
      3. 既然猫的死活取决于原子是否衰变,而原子又处于「衰/不衰」的叠加态,那是不是意味着,猫也处在「死/没死」的叠加态?

​ 原子衰变 = 死猫;原子没衰变 = 活猫;叠加态原子 = 叠加态的猫。

​ 所以,按照哥本哈根解释,箱中的猫是不死不活、又死又活的混沌之猫,直到开箱那一刻才瞬间「塌缩」成一只死猫或者活猫?

​ 薛老师的逻辑,其实就是反证法:以子之矛,攻子之盾。先假装你是完全正确的,然后顺着你的说法推理啊,直到推出一个荒谬透顶的结论——那只能说明你从一开始就错了!

​ 至于为什么要放进一只猫,这又是薛老师的高明之处。

​ 以前大家研究原子、光子,总觉得那是与日常完全不同的另一个世界;无论量子多么诡异,我们总可以安慰自己说:微观世界的规律,不一定适用于宏观物体。

​ 科学家们做完烧脑的实验,还能回归老婆孩子热炕头的正常生活。

​ 现在,薛老师把微观的粒子和宏观的猫绑在一起,要么你承认叠加态什么的都是不切实际的胡思乱想,要么你承认猫是不死不活的叠加态——别纠结,二选一。

​ 连三岁小孩都知道,如果打开箱子看到一只死猫,那说明猫早就死了,而不是开箱的瞬间才死的——只不过它被毒死的时候,你装作没听到惨叫声而已。

​ 你的理论告诉我们,猫在被观测前是不死不活的;那么,如果把你关进一个密室,你不也变成不死不活了吗?或者,在密室中的你看来,全世界的人都是不死不活的僵尸态?还是说,地球和太阳是否存在,都变成不确定的了?

​ 薛老师的猫,本意是想让玻尔下不了台,万万没想到,这只猫却引发了唯心、唯物主义的大辩论。

​ 哲学家们突然发现,终于有机会以专家的身份,来对科学界说三道四了。

「我思故我在」的误会

​ 400 年前,一个法国大叔的思考,奠定了唯心主义哲学的核心思想。

​ 假设世间一切都是幻觉,所谓人生,也许只是我们的大脑在黑客帝国的 AI 里做的一个梦,说不定身体正插满管子泡在培养皿中。

​ 那么问题来了:如果一切都可能是幻觉,那么,还有没有绝对不是幻觉的东西呢?

​ 有。

​ 唯一不可能是幻觉的,只有「我们正在思考世界是不是幻觉」这件事。

​ 我在思考,至少说明我还是个东西。

​ 其实,唯心主义并不是「我想要什么存在它就存在」,而是「只有我的意识(心)无可置疑,世界却可能是幻觉」。所以,如果你认真看那些唯心主义哲学大师的著作,会发现他们的逻辑严密得令人发指。

​ 而唯物主义者的观点则是「我在故我思」:世界肯定不是幻觉,不过每个人都把自己版本的幻觉当作客观世界的真相。但是,到底哪一个世界观才对呢?

​ 由于唯物主义者无法证明这个世界一定不可能是黑客帝国,而唯心主义者也拿不出这个世界一定就是黑客帝国的确凿证据,所以谁也无法说服对方。

​ 直到唯心主义者们听说了量子力学。这么说来,主张「心外无物」的明代哲学家王阳明,早在 500 年前就发明了量子力学!

​ 王阳明与友人同游南镇,友人问曰:

​ 「天下无心外之物,如此花树,在深山中自开自落,于我心亦何相关?」

​ 先生答曰:

​ 「你未看此花时,此花与汝心同归于寂,你来看此花时,则此花颜色一时明白起来,便知此花不在你的心外。」

​ 唯心所现,唯识所变。

​ 未看此花时,花的存在是不确定的叠加态;起心动念的一刹,花才会从不确定态「塌缩」为确定态,你观察的世界因此呈现。

​ 意识与物质互为因果,无法割裂。量子力学的「观测导致塌缩」就是唯心主义的铁证!

​ 然而,很多人至今都不知道「意识决定观测结果」这个名声在外的量子黑科技,其实是道听途说导致的误会。

​ 回到双缝干涉实验,如果科学家故意不观测实验结果,而是用机器自动记录;去掉人类的「意识」干扰,是不是量子态就不会塌缩了?

​ 再比如,做实验时突然飞过一只苍蝇,在它的 N 只复眼注视下,光子的叠加态会因此而塌缩吗?(你以为苍蝇就没有意识吗?)

​ 结果, 根本没有任何影响

​ 屏幕结果是代表波动的斑马线还是代表粒子的两道杠,只与实验设备的设置有关,和谁来观测、是否观测无关。

​ 只要实验中双缝全开,哪怕有一亿双眼睛盯着,看见的仍然是未塌缩的叠加态光子产生的干涉条纹。

​ 现在看来,比玻尔那句毁人不倦的「观察导致塌缩」更准确的表述是:

只要微观粒子处于「可能被精确测量」的环境下,它就会自动塌缩,并不需要等待「观察者」就位。

​ 所以归根到底,量子实验仍然是不以主观意志为转移的。

眼见为实?

​ 只不过,我们无法精确测量,只能用概率分布来计算这个客观世界,那么,薛定谔的猫真的存在吗?

​ 一开始,包括薛老师和玻尔本人在内,没有人相信世界上真会有不死不活、既死又活的猫。

​ 可是不久之后,科学家们惊恐地发现,这件看似显然的事,居然没法证伪(证明猫不是叠加态)。

​ 按理说,猫到底是不是叠加态,做个实验不就明白了?

​ 可惜,这个实验至今做不出来——毕竟,我们没法让猫产生干涉条纹啊!

​ 证伪不行,证实的方法倒是有一个:把这只猫造出来。

​ 令人细思恐极的是,我们已经做到了。

​ 1996 年,美国人梦露(男)用单个铍离子制成「薛定谔猫态」并拍下了快照,发现铍离子在第一个位置处于自旋向上的状态,而同时又在第二个位置自旋向下,而这两个状态相距 80 纳米之遥!

​ 这是人类有史以来第一次,亲眼「看」到活生生的量子叠加现象。

​ 不过,这毕竟只是单个离子,和猫相比还差了十万八千里啊!

​ 2004 年,潘建伟团队首次实现了多光子的薛定谔猫态。虽然这只猫的身材依旧苗条——浑身上下只有 5 个光子,但还是令玻尔的追随者信心大增。

​ 这说明,从单个微观粒子到严格意义上的薛猫(宏观量子叠加态),也许只是量变而非质变,它被亲切地称为:薛定谔的小猫。

​ 如果继续增加粒子数量,是不是能把小猫慢慢喂肥成大猫呢?

​ 然而,现实很残酷:目前「薛猫」的最高纪录,仍然是潘建伟 2012 年实现的 8 光子叠加态。要知道,为了增加区区 3 个光子,实验用了整整 8 年时间。可想而知,要让猫身上亿个原子同时处于量子叠加态,绝非易事。

​ 在乐观者看来,这不过是暂时的技术困难,假以时日迟早会攻克;但也有人认为,量子世界与宏观世界之间存在着一道天然的结界,像猫一样大的宏观叠加态,也许是这个宇宙明令禁止的。

​ 有朝一日,能不能造出一只眼见为实的大薛猫,至少现在,我们还不知道。

​ 但是我们已经知道:即使是小猫,也蕴含着无比惊人的能量。

下一章:让爱因斯坦发怒的幽灵


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