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复活的薛定谔之猫

已有 1579 次阅读 2022-6-17 20:20 |个人分类:量子力学|系统分类:观点评述

既死又活与或死或活

薛定谔的猫,本来是薛定谔为讨论量子力学概率描述与叠加性提出的一个思想实验。在各界的“科普”之下,薛定谔猫的说法已经家喻户晓,路人皆知,也是中学生都熟悉的科学常识了。似乎所有的人都听说过,而且都理解什么是薛定谔的猫。然而,被“科普”的大众们并不了解其中的原委,不知道这只是一场争论,双方立场坚定,至少没有双方认可的结论。“科普”的内容只是一方的说法,或者说哥本哈根学派的说法,也就是存在一种特殊的状态,即活猫死猫叠加态。

量子力学公式体系最重要的开创者,薛定谔,坚决反对死猫活猫叠加态的说法,认为哥本哈根学派的这一说法极其荒谬。爱因斯坦是薛定谔的坚定同盟。他认为这里的关键是,测量之前是否存在确定的客观实在,而客观实在只能是确定的活猫或者死猫,不能是活猫死猫同时存在。在给薛定谔的信中,他说:

“……,one cannot get around the assumption of reality, if only one is honest”

这话很重,意思是:“只要你还是个人(说真话),你就无法回避客观实在的假定。”

直到1952年,薛定谔还强调:“the momentous difference between 'both-and' and 'either-or'”【1】

也就是“既-又”,与“或-或”的巨大差别。

和大家的印象相反,自始至终,薛定谔和爱因斯坦都没有在这场争论中认输。至于为什么后来大多数人认可了死猫活猫叠加态(既死又活)的说法,才是值得讨论的一个话题。


既死又活的猫存在吗?

有谁见过死猫活猫叠加态吗?不要说什么量子小猫,薛定谔原始的提法就是猫,所以坚持存在死猫活猫叠加态的人,应该拿出实物来。当然,你不能拿出一个有争议的东西,说它就是。或者说,这样的状态是无法测量的,一测量就变了,而测量之前就是的(这不是“心诚则灵”的招数吗?)。也就是说,无法实证。科学讲究的是实证啊。

那么,既死又活的猫究竟存在呢,还是不存在呢?现在是薛定谔和爱因斯坦说不存在,玻尔说存在,各持己见,互不让步。按说,举证的责任应该是玻尔的,因为不存在是没法拿出东西来的,而存在就可以。既然玻尔认为存在,拿出一只既死又活的猫,薛定谔和爱因斯坦自然就该认输了。

问题是,快一百年过去了,哥本哈根学派并没有拿出一只既死又活的猫来。你当然可以一口咬定某个盒子里的猫就是既死又活态,但是无法查看,一查看就坍缩到具体的死活态了。就是说,拿出来了,但是看不了。别人看不了,你说这话不应该有点心虚吗?有什么样的法庭会采纳无法查看的证据呢?为什么反而理直气壮地嘲笑薛定谔和爱因斯坦呢?


不打开盒子真的无法探测吗?

死活叠加态有一个重要的假定,就是打开盒子之前,无法确定猫的死活状态。真的是这样吗?

作为一个宏观物体,我们有很多办法不打开盒子就可以知道猫的死活状态。比如,活猫心脏会跳动吧?心跳引起的振动是可以不打开盒子探测的。

活猫必然有新陈代谢,从而放热。热辐射是无法屏蔽的,也就是可以探测的。

所以,不打开盒子就无法确定猫的死活状态这一假定是不成立的。或者说,对猫死活状态的测量是一直进行着的,不可屏蔽。


量子波函数的概率与演化

薛定谔反对的还有波函数的概率诠释。他认为概率描述只能解释单次观测事件,而其它的物理都丢失了。

而概率表示与测量的关系也是一个很大的问题。再用薛定谔猫的盒子来说话,如果盒子打开,猫的状态就坍缩了(确定了),那我再把盒子盖上呢?猫的状态是不变呢?还是变回不确定了?

这个问题没有那么简单。你不能简单地回答,原来活着就活着,死了就死了,因为这是经典的看法。

既然我们用量子力学来描述猫的死活,当然我们后面的描述也应该自洽。量子力学认为,没有测量的情况下,量子态会按照时间演化算符的要求演化(参见量子芝诺效应的讨论),所以把盒子重新封上之后,如果未测量前是叠加态,那么封上后的初态是刚才确定的活或者死态,该初态按照时间演化算符演化。如果猫只有两种状态,那么演化会变成这两种状态的叠加,也就是又不确定死活了。如果过一段时间再打开盒子,原来的活猫现在可能变成死猫,反之亦然。

当然,实际上,恐怕不止是死活叠加那么简单,可能存在更多的本征态和演化模式,比如四分五裂啦,七窍流血啦,心跳骤停了,害怕啦,愤怒啦,……。死有很多具体的表现形式,活也一样。那么是哪一种呢?第一次打开盒子之后,我们拿走放射性装置,在不同的时间间隔下盖上盒子和重新打开,猫的死活会不断变化吗?如果我们一致地使用量子力学,显然是应该变化的。

如果经过无数次开关检验,猫的状态没有变化(当然不能饿死或者憋死它),我们是不是有充分理由相信,第一次打开盒子之前,猫死活状态是确定的呢?

还有,眼睛作为测量工具就很可靠吗?在街头三个小杯猜小球位置的戏法中,至少凭赌客的眼睛是无法正确识别球在哪个小杯子里的。


客观实在性

爱因斯坦强调客观实在性(reality)是存在的。测量不测量,都有一个客观实在。测量是不是会影响客观实在,这是另外一个问题。但对于薛定谔猫这个问题来说,打开盒子是不会影响猫死活的客观实在的。

玻尔强调测量对客体的影响,认为只有经过测量,讨论客观实在才有意义。没有测量,你不能对客体做具体的描述,因此客观实在还不存在。

其实,玻尔的说法有一个漏洞。根据他自己的说法,薛定谔猫处于死活叠加态,那么叠加态是不是客观实在呢?死活叠加态是可以定量描述的,所以是明确的。如果叠加态也是客观实在,那么说明测量前是存在客观实在的。如果说叠加态不是客观实在,可是世界上并不存在完全的純量子本征态啊,那么测量后也同样不存在客观实在了。而且,就算测量后得到純(本征)态,你不测量的时候,它还要演化为叠加态呢。还有,任何本征态,换一个表象,就不一定是本征态了。换一个表象,只是从不同角度看同一个东西而已。所以,本征态也是叠加态,也不算客观实在。那么,只有测量后才能讨论客观实在,这一点就不成立了。

所以,如果考虑了量子态的演化,以及表象变换,无论是否测量,客观实在永远都不存在。玻尔实际上彻底否定了客观实在性的存在。


“主流”观点

我们知道,那只可怜的猫,在盒子打开之前,处于死活叠加态。这是“主流”观点,也就是哥本哈根学派的观点。公众们并不知道,薛定谔原意是为了证明哥本哈根学派对叠加态描述的荒谬。薛定鄂十分反感哥本哈根学派对他的思想实验的解释。即使提到薛定谔猫的历史争论,坚持哥本哈根诠释的人也会说:“我们科学共同体认为玻尔是对的”。

薛定谔和爱因斯坦呢,当然,他们坚持错误,所以他们错了。他们错在哪里呢?因为他们跟玻尔的说法不一样啊。为什么不从逻辑和事实上证明他们错呢?这个嘛,我们是科学共同体,我们是主流。我们裁定了,玻尔对,薛定谔和爱因斯坦错。

坚持哥本哈根诠释的人是科学共同体吗?科学共同体授权了吗?为什么你们认为你们是科学共同体?因为人多?科学不应该根据逻辑和事实吗?什么时候根据人多了?某个时刻人多等于永远人多吗?当年的神创论,地心学,哪个不是当时科学共同体的主流观点呢?

薛定谔猫本来是没有定论的一场争论。科学的做法不是应该科普完整的争论和观点差别吗?为什么要替大众决定如何站边呢?

猫不可能同时是活的又是死的,盒子里面的手套不可能同时是左又是右,……。这是常识,所谓常识就是经过一遍一遍日常生活检验的实验结果。常识不一定是对的,但是反对常识至少需要可靠的实验结论,也就是拿出一只这样的猫来。不能只靠话术回避自己的举证责任,或者在论证中一会儿用量子力学的观点,一会儿又用经典的观点,采用双重标准,怎么对自己有利怎么来。这不是科学,是诡辩。


【1】E. Schrödinger,Are There Quantum Jumps? Part II, The British Journal for the Philosophy of Science, Vol. 3, No. 11 (Nov., 1952), pp.
233-242




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