 作者：牧羊人 爱因斯坦、罗森和波多尔斯基一起写过一篇文章，质疑量子力学完备性，题目叫作《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》。这个问题以三个人的名字首字母来命名，叫作EPR问题。E代表爱因斯坦，P代表波多尔斯基，R代表罗森。远在欧洲的薛定谔看到这篇论文以后，一个词脱口而出——量子纠缠。 这是怎样一种状态呢?我们来大概描述一下。比如一个不太稳定的粒子刚好发生了衰变，分解成了两个粒子，那么为了保持动量守恒，分解的这两个粒子一定是往两个方向走的。一个往东另一个必定往西，一个往南另一个必定往北。 为啥呢？原先的那个大粒子假设是不动的，我们死盯着它，在我们看来这个大粒子的动量就是0。即便它衰变了，啪的一声分解成了两个粒子，那么还是要维持动量守恒状态。分解成了两个以后，运动的方向必定相反，才能动量抵消，维持动量守恒。 因此你要是在北边抓到一个，另一个必定是往南去了。同样的道理，角动量也要守恒，你要是抓到一个，一测量，自旋是正转，那么另一个必定是反转的，不然就不守恒了。  可是按照波尔学派的意思，没测量之前一切都没决定，一切都是叠加态。好了，也就是说，这两个粒子在测量之前，根本就没决定谁是正转谁是反转，都处于叠加态，就等着你来观测。你抓住一个一看，这个粒子就决定下来了。比方说是正转的，那么就在此时此刻，另一个粒子不管距离多远都会立即决定是反转。反正这两个家伙必须是相反的，为了维持角动量守恒。 那好，假如是你观测的那一瞬间才决定的，那么另一个粒子也需要在同一时刻决定下来。不管距离有多远，哪怕远在宇宙另一端，也会立即响应，术语叫波函数坍缩。  玻尔发现EPR论题相当奥妙，需要周详的思考，他立刻放下手里所有其他工作，专心研究EPR论题，同年完成反驳论文。玻尔一眼就看出了其中的问题，爱因斯坦他们几个对于这件事的描述是靠谱的，也就是说这种两个粒子纠缠在一起不能分割的推导是没有问题的。在玻尔看来就是这么回事，没有啥可大惊小怪的，关键问题是爱因斯坦的哲学观念还是经典的观念，即一切都是确定的，他不能接受哥本哈根学派的几率解释。因此玻尔也写了一篇论文来回击爱因斯坦。 玻尔直接拿了爱因斯坦文章的题目，说白了他们俩写的论文题目完全一 样，也叫《能认为量子力学对物理实在的描述是完全的吗?》。玻尔在文章中给出的答案当然是肯定的，量子力学就是完备的。爱因斯坦的思路完全是经典的，总认为有一个离开观测手段而存在的实在世界。这个世界图像和玻尔代表的哥本哈根派的“观测手段影响结果”的观点完全不一致。 玻尔认为，微观的实在世界，只有和观测手段连起来讲才有意义。在观测之前并不存在两个客观独立的粒子，只有波函数描述的一个互相关联的整体。既然只是协调相关的一体，它们之间无须传递什么信号!因此，EPR佯谬只不过是表明了两派哲学观的差别——爱因斯坦的“经典局域实在观”和玻尔一派的“量子非局域实在观”的根本区别。  薛定谔一看爱因斯坦出手还压不住哥本哈根学派。人家哥本哈根学派的基本观点是，微观世界的事跟宏观世界不是一回事。微观世界遵循的就是这种不确定性的规律。薛定谔说，好，我给你们找点儿麻烦，他洋洋洒洒地写了一大篇东西叫作《量子力学的现状》。他在第五章里面描述了一个思想实验。薛定谔把微观世界的问题拿到宏观世界来，设想了一只叠加态的猫。 薛定谔是这么描述的，把一只猫放进一个封闭的盒子里，然后把这个盒子连接一个装置，其中包含一个原子核和毒气设施。设想这个原子核有50%的可能性发生衰变，衰变时发射出一个粒子，这个粒子将会触发毒气设施，从而杀死这只猫。 根据量子力学的原理，未进行观察时，这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态，因此，那只可怜的猫就应该相应地处于“死”和“活”的叠加态。非死非活，又死又活，状态不确定，直到有人打开盒子观测它。 总之，薛定谔的意思就是恶心一下哥本哈根学派的那几位。如果你们将波函数解释成粒子的概率波的话，就会导致一只既死又活的猫的荒谬结论。后来霍金听说这个思想实验的时候十分气愤，他说:“当我听说薛定谔的猫的时候，我就想跑去拿枪，一枪把猫打死!”  这说明，哪怕是受过专业训练的物理学家，在接受这种量子的不确定性观念的时候，仍然很艰难，因为这种东西太过离经叛道了，即便是薛定谔和爱因斯坦这种大家也想不开。波函数可是薛定谔先搞出来的，薛定谔对波函数坍缩不理解。也难怪有后人评价，薛定谔不懂薛定谔方程。 观测微观粒子世界的量子状况时，可以用“诡异”两个字来形容。能观测到也是很神奇的，实际上是测不到的，不确定性原理说的就是这事，根本测不准。 关于薛定谔的猫的三种解释： 第1种解释说，在你打开盒子之前，这只猫同时处于既死掉又活着的一种状态。注意，“既死掉又活着”，是一种状态，不是两种状态。这是因为原子处于既衰变又没衰变的状态，它连带着把猫也变成了既死又活的状态。 不过，你一打开盒子，这个奇怪的状态就消失了，变成了要么死、要么活。这种解释就是哥本哈根解释，它的提出者是以物理学家玻尔为代表的哥本哈根学派。 你肯定觉得这个解释特别怪，哪有既死又活的猫呢。薛定谔也这么想。他提出“薛定谔的猫”就是为了反对玻尔的解释。 他提出了第2种解释，就是说，“在打开盒子之前，猫要么死了，要么活着，绝不可能处于既死又活的状态”。你打开盒子之后，不过就是看到了盒子打开之前的情况。这种解释听着就舒服多了。 可是还有人不满意，你可能还听说过第3种解释。它的意思是说，打开盒子之前，猫确实既死又活。但在你打开盒子的那一刹那，我们所在的宇宙分裂了，变成了两个不同的宇宙。其中一个宇宙中的你，看到了活猫；另一个宇宙中的另一个你，看到了死猫。两种概率各占50%。这叫平行宇宙解释，它的提出者是物理学家费曼的师弟，艾弗雷特三世。 这个解释听起来很无厘头，但它满足了量子力学的一条基本假设，叫“信息守恒”，信息无论如何都不能丢失。所以艾弗雷特认为，“既死又活”的信息必须是守恒的。你要是只看见活猫，那么另一半关于“死猫”的信息就一定存在于某个地方，比如说，在另一个宇宙里。因为这个宇宙跟我们没有联系，我们互相也不知道，所以就把它叫平行宇宙。平行宇宙这个解释就这么出现了。 对一般大众来说，平行宇宙这个说法脑洞特别大。还有一个宇宙，还有你，还有我，只是故事的情节跟我们不一样，这多好玩啊。所以好莱坞大片也特别爱拿这个解释说事，很少去追溯背后的科学逻辑。 当然，这还只是我们常见的3种解释。剩下几种解释也一样。公说公有理，婆说婆有理，它们都是在实验看不见的地方说事，而且各自都有优点和缺点。  作者简介 牧羊人 天津市天文学会会员、天津科技馆科普辅导员，曾组织过多次天文观测活动，并为天文科普工作做出微小贡献。 请输入标题 abcdefg 即日起，关注公众号可获得上月共读书目电子书 |
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