薛定諤的貓不存在於現實中

最新 09-09

1935年，薛定諤原本目的是在用這思想實驗來討論EPR弔詭（因發表者阿爾伯特·愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基、納森·羅森而命名）。EPR論文凸顯了量子糾纏的怪異性質。假設兩個量子系統相互作用，然後彼此分離，但其中任意系統都不處於明確態，則它們的量子態會疊加在一起，共同形成的量子態具有量子糾纏特性。

根據哥本哈根詮釋，當其中任意系統被測量之時，則兩個系統糾纏在一起的量子態會坍縮為明確態。那時，薛定諤與愛因斯坦常互相通信，交換意見，研討EPR論文的相關問題。

在愛因斯坦寫給薛定諤的8月8日信件中，他勾勒出一個「粗略宏觀案例」：給定一桶不穩定的火藥，在經過一段時間後，這桶火藥會處於爆炸與不爆炸的疊加狀態。

為了更進一步說明這現象，薛定諤回信描述原則上怎樣能夠將原子系統的疊加態轉移至大尺度系統。

他提出一個思想實驗，假設把一隻貓、一個裝有氰化氫氣體的玻璃燒瓶和放射性物質放進封閉的盒子里。貓的性命因此與原子核的狀態密切相關。

薛定諤表明，根據哥本哈根詮釋，在實驗進行一段時間後，貓會同時處於活狀態與死狀態（對於盒子外的世界而言），直到盒子被打開為止。

薛定諤並不想要推銷周旋於生死之間的貓這點子；恰恰相反，這弔詭採用的是一種經典反證法，試圖藉此顯露出描述量子態所需倚賴的量子理論尚存瑕疵。

薛定諤的原文是這樣的：實驗者甚至可以設置出相當荒謬的案例來。把一隻貓關在一個封閉的鐵容器裡面，並且裝置以下儀器（注意必須確保這儀器不被容器中的貓直接干擾）：在一台蓋革計數器內置入極少量放射性物質，在一小時內，這個放射性物質至少有一個原子衰變的概率為50%，它沒有任何原子衰變的概率也同樣為50%；假若衰變事件發生了，則蓋革計數管會放電，通過繼電器啟動一個榔頭，榔頭會打破裝有氰化氫的燒瓶。

經過一小時以後，假若沒有發生衰變事件，則貓仍舊存活；否則發生衰變，這套機構被觸發，氰化氫揮發，導致貓隨即死亡。用以描述整個事件的波函數竟然表達出了活貓與死貓各半糾合在一起的狀態。

類似這典型案例的眾多案例里，原本只局限於原子領域的不明確性被以一種巧妙的機制變為宏觀不明確性，只有通過打開這個箱子來直接觀察才能解除這樣的不明確性。

它使得我們難以如此天真地接受採用這種籠統的模型來正確代表實體的量子特性。就其本身的意義而言，它不會蘊含任何不清楚或矛盾的涵義。但是，在一張搖晃或失焦的圖片與雲堆霧層的快照之間，實則有很大的不同之處。

上面是薛定諤的原文思想，關於這個問題的回答，有很多個版本。在這裡我不重述這些版本內容，內容太多。

但我強調人要做的事情是什麼呢？是將複雜的問題簡單化。

在這個問題上，人要將問題簡單化，必須有這麼幾個前提。細心的朋友會注意到，其實我在本書第二章，就有提到過關於玻爾和愛因斯坦的爭論。我說：「上帝讓人類擲骰子。」

其話意思是上帝不擲骰子，真正擲骰子的是人！！所以人一定要小心，而且自信。

那麼回答我開頭所提到的問題：薛定諤的貓究竟是死還是活？是半死不活的疊加態嗎？

答案是很明確的：貓不可能是死和活的疊加態！必須不可能！

如果承認貓是死和活的疊加態，那麼我們現實中的所有人，也都是處於這樣的狀態。

為什麼貓不可能處於死和活的疊加態？如果你注意薛定諤實驗設想，你就知道，這個實驗是不可能。

薛定諤說：把一隻貓關在一個封閉的鐵容器裡面，並且裝置以下儀器（注意必須確保這儀器不被容器中的貓直接干擾）。

這是他開頭的第一句話。試問大家貓會不會影響到儀器？貓是有輻射的，萬物皆有輻射。所以就不能避免影響。第一點就不能保證。

外部環境也是這樣的。一開頭就寫道了：根據退相干理論，貓不可能永遠處於生存與死亡的疊加態，由於環境的影響，很快地會產生退相干效應，貓改而處於生存或死亡的經典統計學狀態，因此，一般而言，絕對無法觀察到這生存與死亡的疊加態。」

這是開頭的介紹，我認為還不夠精確。應該說貓從來就沒有處於過活和死的疊加態。

什麼叫退相干性原理，定義是這樣的：在量子力學裡，開放量子系統的量子相干性會因為與外在環境發生量子糾纏而隨著時間逐漸喪失，這效應稱為量子退相干。

量子退相干是量子系統與環境因量子糾纏而產生的後果。由於量子相干性而產生的干涉現象會因為量子退相干而變得消失無蹤。量子退相干促使系統的量子行為變遷成為經典行為，這過程稱為「量子至經典變遷」。

德國物理學者漢斯·澤賀（英語：Heinz Zeh）最先於1970年提出量子退相干的概念。自1980年以來，量子退相干已成為熱門研究論題。

實際而言，不存在孤立系統，特別是不存在孤立宏觀系統，通過某種方式，每個量子系統都會持續地與外在環境耦合，發生量子糾纏，從而形成糾纏態。因此，量子退相干可以視為存在於量子系統內部的相干性隨著時間流易而退定域（delocalize）至量子系統與環境所組成的糾纏系統，換句話說，量子系統內部的幾個成分彼此之間的相位關係，會逐漸地退定域至整個系統，也就是說，量子系統的相位信息會持續地泄露至環境，從而有效地促使伴隨著相干性的干涉現象消失無蹤。

量子退相干能夠解釋為什麼不會觀察到干涉現象，但是，量子退相干能否解釋波函數坍縮的後果，這論題至今仍舊存在巨大爭議，一個很重要的原因就是，很難將這論題跟量子力學的詮釋做分割，而人們各自有各自青睞的詮釋。

量子退相干不是一種量子力學詮釋，而是利用量子力學分析獲得的結果。它嚴格遵守量子力學，並沒有對量子力學的基礎表述做任何修改。很多完成的量子實驗已證實量子退相干的存在與正確性。

所以薛定諤所描述的實驗，是無法隔絕微擾的。一般大家會討論的是觀測者對實驗的影響，儀器對實驗的影響等等，其實就是這個原因。

好了，這一點現在確定了，從內到外，都不能保持實驗系統的獨立性。在這個基礎上我們才能進行討論。

但是其實討論已經缺乏必要性，因為已經不再符合薛定諤的描述。這就是為什麼貓不可能處於生和死的疊加態。

那麼貓會處於什麼狀態？將問題轉化，簡單化。盒子是透明的，貓換成人。

有人會問，這樣可以換嗎？我反問：盒子的顏色對實驗有影響嗎？人是生命嗎？

即使這樣，我再問你：「下一分鐘貓是死的還是活的？」你也不能給我確定回答，得到了下一分鐘才知道情況。但答案一定是要麼活，要麼死，不可能是兩者的疊加態。

但這一秒，貓是活還是死，觀測者是看的到的。

把貓換成人，其實沒多大的本質意義，不是為了讓人自己發出信號。說他活著或要死了。而且讓人去思考，你在裡面真的可以體驗到那種「生和死的疊加態嗎？」

還有一些科學家，學者提出多世界觀點，來解釋薛定諤的貓。看過我科普書籍《變化》的朋友肯定知道，我是持反對意見的。

這只是想像力的問題，不是現實的問題。高維度空間值得懷疑，大家可以去讀讀我在《變化》中的論述。