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量子猫之母

想象一个约鞋盒大小的箱子,这个箱子中除了一个电子外,空无一物。哥本哈根诠释认为,该电子的波函数会扩散开来填满整个箱子,因此,如果我们看看箱子里面,在箱子的任何一处发现该电子的机会是相等的。现在,设想把一块光滑而垂直的隔板插入箱子的正中间,就像魔术师用隔板把一位女士锯为两半的幻觉一样。常识告诉我们,该电子现在一定被困在了半个箱子里——如果箱子里装的是一个弹跳的小球的话,的确会发生这种事情。但哥本哈根诠释告诉我们,该电子的波函数仍会充满箱子的两部分。如果我们看看箱子里面,这就相当于我们在箱子的任何一部分中发现该电子的概率是相等的。

现在,让我们来谈一谈量子世界的另一个古怪的特性。想象一下,这个箱子被完全分成两个独立的部分,就像成功地把一位女士锯为两半的幻象一样,因此,这两部分可以分开,中间还会留有间隔。哥本哈根诠释仍然会说,该电子的波函数会平均地填充箱子的两部分。你可以带着箱子的一半去往月球或更远的地方,波函数仍然会平均地填充箱子的两部分,即使箱子两部分之间的间隔处并不存在波函数。只有当你看向箱子的某一半时,波函数才会坍缩成位于某一个点的电子。你看了箱子的哪一半无关紧要。如果你看了箱子的A部分,而且看到一个电子,波函数就会从箱子的B部分中消失;如果你看了箱子的A部分,并没有看到一个电子,波函数就会从箱子的A部分中消失,而该电子肯定会在箱子的B部分中。如果你确实看到了电子,一旦你停止观看,波函数就会再次扩散开来,但只会填满我们曾观察到电子的那半个箱子。

1935 年,薛定谔发表他虚构的所谓的“ 猫悖论 ”时,主要关注的并不是量子的这种古怪特性。他强调的是量子的另一种古怪特性——状态的叠加。我对这一问题的描述要回到箱子已被分为两部分的那个阶段,此时,我们在箱子的任何一部分中发现该电子的机会是 50 ∶ 50。试想一下,这个箱子位于一个密闭的大房间中,有一只猫安静舒适地生活在这个房间中,而且房间里有足够的饮食供其吃喝。但这个箱子与一个探测器相连,该探测器可以在某些指定的时间进行测量,从而得知电子是否位于箱子的某一特定部分。如果在这部分中电子不存在,什么都不会发生。但是,如果检测到电子,薛定谔称为“残忍的装置”就会打碎毒药瓶,毒药就会充满这个房间,杀死猫。

猫到底被杀死没有?常识告诉我们,有 50∶50 的机会,猫会活下去,还有 50∶50 的机会,猫会死亡。哥本哈根诠释说,因为没有外部观察者看见箱子的内部到底发生了什么,当探测器监测箱子的一部分时,该电子的波函数不会坍缩,整个房间中的波函数会处于叠加态,一种状态对应的是一只活猫,另一种状态对应的是一只死猫。用薛定谔的话说,“整个系统的波函数会将这种叠加状态表现为,在房间的任何一部分中猫都处于半死不活(抱歉用了这个说法)的状态”。 在同一时间,猫既死了又活着(或者,如果你喜欢的话,还可以说猫既不死又不活),它会一直处于这种状态直到有人打开房门,看向屋内。那一时刻,波函数就会坍缩——不是门一被打开,波函数就会坍缩,波函数的坍缩似乎是发生在自动监测设备看向箱子内部的瞬间,那就可能意味着会出现死猫。

这一古怪之处还没有结束。其他物理学家们很快就指出,这可能会导致 无限回归 。如果你是看向房间内部的唯一的一个人,你是会使波函数坍缩呢,还是会成为叠加态的一部分呢?如果有一位朋友给你打电话,询问实验结果,波函数是会在此刻坍缩呢,抑或是你的朋友会成为叠加的一部分呢?如果采取逻辑上的极端观点,这一系列的问题就会引发一个很多宇宙学家认真探讨的问题,是谁(或什么)可以观察整个宇宙,并使它的波函数坍缩为一个确定的状态?为什么万物不是处于某种叠加态呢?

如果有比哥本哈根诠释更好的解释,哥本哈根诠释很久以前就被丢弃了。但是,至今仍没有比它更好的解释,只有不同的解释, [1] 从某种意义上说,它们跟哥本哈根诠释解释得一样好,它们也像哥本哈根诠释一样,可以很好地预测到量子实验的结果,但却仅此而已,因为它们根本无法预测哥本哈根诠释预测不了的东西。它们也都涉及了不可避免的量子古怪性问题,如信号可以穿越回到过去,又如相距很远的量子实体间的即时通信。因此,你选择哪一种量子诠释,取决于你感觉哪一种古怪性对你来说最舒服(或最不舒服)。 多世界诠释 多重宇宙 的探索相关,而且迄今为止的任何实验测试都表明它与所有其他的诠释(包括哥本哈根诠释)一样好,多世界诠释是休·埃弗莱特(Hugh Everett)于 20 世纪 50 年代提出的。 sWGHnO6xrtyTmh+uUf3uM6EQiGH+7M0fADThCRedYSOLO5vTjvkhRY2mXgA9xoOP

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