本科普系列是想儘量使用通俗的語言，向公眾介紹神秘奇妙的‘量子糾纏’。 要認識神秘的量子糾纏，首先要認識神秘的量子現象。 不管是學哪個行業的，大概都聽說過奇妙的量子現象。諸如測不準原理啦，薛定諤的貓之類的，在日常生活中看起來匪夷所思的現象，卻是千真萬確存在於微觀的量子世界中。 許多人將聽起來有些詭異的量子理論視為天書，從而敬而遠之。有人感嘆說：“量子力學，太不可思議了，不懂啊，暈！” 不懂量子力學，聽了就暈，那是非常正常的反應。聽聽諾貝爾物理學獎得主，大物理學家費曼的名言吧。費曼說：“我想我可以有把握地講，沒有人懂量子力學！” 量子論的另一創始人玻爾（Niels Bohr）也說過：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論。”既然連費曼和玻爾都這樣說，我等就更不敢吹牛了。 因此，我們暫時不要奢望‘懂得’量子力學。此一系列文章的目的是讓我們能夠多‘了解’、多認識一些量子力學。因為量子力學雖然神秘，卻是科學史上最為精確地被實驗檢驗了的理論，量子力學經歷了100多年的艱難歷史，發展至今，可說是到達了人類智力征程上的最高成就。身為現代人，如果不曾‘了解’一點點量子力學，就如同沒有上過因特網，沒有寫過email一樣，可算是人生的一大遺憾啊。 剛才提及量子現象時，說到了‘薛定諤的貓’，我們的討論可由此開始。 1.薛定諤、女朋友、貓 薛定諤（E.Schr dinger ，1887—1961）是奧地利著名物理學家、量子力學的創始人之一，曾獲1933年諾貝爾物理學獎，量子力學中描述原子、電子等微觀粒子運動的薛定諤方程，就是以他而命名的。 ‘薛定諤的貓’也稱‘薛定諤佯謬’，是指薛定諤為說明量子力學中的‘疊加態’設計的一個思想實驗而導致的佯謬。 那麽，首先我們需要了解，什麽是‘疊加態’？ 根據我們的日常經驗，一個物體某一時刻，總會處於某個固定的狀態。比如我說：女兒現在‘在’客廳里，或是說：女兒現在‘不在’客廳里。要麽在，要麽不在，兩種狀態，必居其一。然而，在微觀的量子世界中，情況卻有所不同。微觀粒子可以處於一種所謂‘疊加態’的狀態中，這種狀態是不確定的。例如，電子可以同時位於兩個不同的地點：A和B，也就是說，電子既在A，又不在A。電子的狀態是‘在’和‘不在’，兩種狀態按一定幾率的疊加。電子的這種混合狀態，叫做‘疊加態’。 聰明的讀者會說：“女兒此刻‘在’或‘不在’客廳，看一眼就清楚了。電子在A，或是不在A，測量一下不就知道了嗎？”說得沒錯，當我們對電子的狀態進行‘測量’時，電子的‘疊加態’不復存在，而是‘坍縮’到‘在A’，或是‘不在A’，兩個狀態的其中之一。但是，微觀與宏觀之不同，是在於觀測之前。女兒在不在客廳，觀測之前已成事實，並不以‘看’或‘不看’而轉移。而微觀電子坍縮前的狀態，並無定論，直到測量它，才因坍縮而確定。這是微觀世界中量子疊加態的奇妙特點。 儘管量子現象顯得如此神秘。然而，量子力學的結論卻早已在諸多方面被實驗證實，被學術界接受，在各行各業還得到各種應用，量子物理學對我們現代日常生活的影響無比巨大。以其為基礎而產生的電子學革命及光學革命將我們帶入了如今的計算機信息時代。可以說，沒有量子力學，就不會有今天所謂的‘高科技’產業。 如何解釋量子力學的基本理論，仍然是見仁見智，莫衷一是。這點也曾經深深地困擾著它的創立者們，包括偉大的愛因斯坦。微觀疊加態的特點與宏觀規律如此不同，物理學家如薛定諤也想不通。於是，薛定諤在1935年發表了一篇論文，題為《量子力學的現狀》，在論文的第5節，薛定諤編出了一個‘薛定諤貓’的理想實驗，試圖將微觀不確定性變為宏觀不確定性，微觀的迷惑變為宏觀的佯謬，以引起大家的注意。果不其然！物理學家們對此佯謬一直眾說紛紜、爭論至今。 以下是‘薛定諤貓’的實驗描述。 把一隻貓放進一個封閉的盒子裡，然後把這個盒子連接到一個裝置，其中包含一個原子核和毒氣設施。設想這個原子核有50%的可能性發生衰變。衰變時發射出一個粒子，這個粒子將會觸發毒氣設施，從而殺死這隻貓。根據量子力學的原理，未進行觀察時，這個原子核處於已衰變和未衰變的疊加態，因此，那只可憐的貓就應該相應地處於‘死’和‘活’ 的疊加態。非死非活，又死又活，狀態不確定，直到有人打開盒子觀測它。 實驗中的貓，可類比於微觀世界的電子（或原子）。在量子理論中，電子可以不處於一個固定的狀態（0或1），而是同時處於兩種狀態的疊加（0和1）。如果把疊加態的概念用於貓的話，那就是說，處於疊加態的貓是半死不活、又死又活的、。 量子理論認為：如果沒有揭開蓋子，進行觀察，薛定諤的貓的狀態是‘死’與‘活’的疊加。此貓將永遠處於同時是死又是活的疊加態。這與我們的日常經驗嚴重相違。一隻貓，要麽死，要麽活，怎麽可能不死不活，半死半活呢？別小看這一個聽起來似乎荒謬的物理理想實驗。它不僅在物理學方面極具意義，在哲學方面也引申了很多的思考。 談到哲學，聰明的讀者又要笑了，因為在古代哲學思想中，不凡這種似是而非、模稜兩可的說法。這不就是辯證法的思想嗎？你中有我，我中有你，一就是二，二就是一，合二而一，天人合一，等等等等，如此而已。 此話不假，因此才有人如此來比喻‘薛定諤的貓’：男女在開始戀愛前，不知道結果是好或者不好，這時，可以將戀愛結果看成好與不好的混合疊加狀態。如果你想知道結果，唯一的方法是去試試看，但是，只要你試過，你就已經改變了原來的結果了！ 無論從人文科學的角度，如何來詮釋和理解‘薛定諤的貓’，人們仍然覺得量子理論聽起來有些詭異。有讀者可能會說：“你拉扯了半天，我仍然不懂量子力學啊！” 還好，剛才我們已經給讀者打了預防針，不是嗎？沒有人懂量子力學，包括薛定諤自己在內！薛定諤的本意是要用‘薛定諤貓’這個實驗的荒謬結果，來嘲笑哥本哈根學派對量子力學，對薛定諤方程引進的‘波函數’概念的幾率解釋，但實際上，這個假想實驗使薛定諤自己，站到了自己奠基的理論的對立面上，難怪有物理學家調侃地說到薛定諤：“薛定諤不懂薛定諤方程！” 到此為止，我們解釋了半天‘薛定諤貓’實驗的來龍去脈，卻隻字未提薛定諤的女朋友之事。再此趕快補上這段八卦，以免使讀者大失所望。 薛定諤應該具有超凡的個人魅力，風流倜儻，女友無數。要不然怎麽會觸動舞台劇編導、紐約劇作家馬修韋爾斯的靈感，寫出了一部‘薛定諤的女朋友’的舞台劇呢？ 以下是這個舞台劇2001-2003年在舊金山和紐約演出時的劇照和海報。
《薛定諤的女朋友》是關於愛，性，和量子物理學的一部另類浪漫喜劇。劇作家馬修韋爾斯本人，並沒有受過超出高中課程的科學教育，但卻痴迷於物理學的神秘。他說：”我永遠無法進入數學，但我發現它背後的概念，視覺和類比，是如此地引人入勝！” 舞台劇中有這麽一段饒有趣味的話：“到底是波動-粒子的二象性難一點呢，還是老婆-情人的二象性更難？”據說薛定諤有很多情婦，也有不少私生子，身邊不乏紅顏知己。薛定諤的女友和薛定諤的貓一樣不確定，薛定諤的婚姻愛情觀和他的物理理論一樣，不同凡響。據說，薛定諤是個‘多情種子’類的人物，他的情婦雖然多，但他每愛一個女人時，都是真心實意地。也許我們可以用量子力學的語言來作個比喻：薛定諤的感情和性生活，總是處於一個包括很多本徵態的複雜疊加態中。一定時期，疊加態‘坍縮’到某個本徵態，薛定諤便投入一個女友的懷抱。 但是，在薛定諤眾多女友中，有一位很不一般的神秘女人，正是她，成為了這部舞台劇的女主人公。 在1925年聖誕節前，薛定諤像往年一樣，來到美麗的、白雪皚皚的阿爾卑斯山上度假，但這次陪伴他的不是太太安妮，而是一位來自維也納的神秘女友。薛定諤的這位女友神秘莫測，直到八十多年後的今天，也無人考證出她的身份來歷。她不是考證者已知的薛定諤情婦中的任何一位。無論如何，在這對情侶共度佳期的時期內，這位神秘女郎極大地激發了薛定諤的靈感，使得他令人驚異地始終維持著一種極富創造力和洞察力的狀態。因此，物理學家們說，薛定諤的偉大工作是在他生命中一段情慾極其旺盛的時期內作出的。薛定諤自己也不否認這點，他認為，通過觀看這個引人注目的女人，他找到了困惑科學界波/粒二象性看似矛盾的關鍵。果然，之後的一年內，薛定諤接連不斷地發表了六篇關於量子力學的主要論文，提出了著名的薛定諤方程。因此，在享受量子力學帶給我們輝煌燦爛的科技成果的今天，我們也應該感謝這位神秘女郎的貢獻。 綜上所述，是‘薛定諤的神秘女友’，激發了薛定諤天才的想象力和靈感，使其建立了微觀世界中粒子的波函數所遵循的薛定諤方程。然後，薛定諤不同意哥本哈根派對波函數的解釋，設計了‘薛定諤的貓’的思想實驗。用薛定諤自己的話來說，他要用這個“惡魔般的裝置”，讓人們聞之色變。薛定諤說：看吧，如果你們將波函數解釋成粒子的幾率波的話，就會導致一個既死又活的貓的荒謬結論。因此，幾率波的說法是站不住腳的！ 這隻貓的確令人毛骨悚然，相關的爭論一直持續到今天。連當今偉大的物理學家霍金也曾經憤憤地說：“當我聽說薛定諤的貓的時候，我就跑去拿槍，想一槍把貓打死！” 在宏觀世界中，既死又活的貓不可能存在，但許多許多實驗都已經證實了微觀世界中疊加態的存在。總之，通過薛定諤的貓，我們認識了疊加態，以及被測量時疊加態的坍縮。 疊加態的存在，是量子力學最大的奧秘，是量子現象給人以神秘感的根源，是我們了解量子力學的關鍵。 下一篇∶‘男孩物理學’ |
