当我们不看月亮的时候,它还在那里吗?

作者: 曹天元

来源: SELF格致论道讲坛

发布日期: 2020-02-04 12:06:16

文章讨论了量子力学中的著名问题——薛定谔的猫,以及量子退相干理论如何解释宏观物体为何没有量子叠加态。文章还提到了爱因斯坦对量子力学哥本哈根解释的质疑,以及量子论中尚未解决的基本难题。

当我们不看月亮的时候,它还在那里吗?这个问题源自爱因斯坦对量子力学哥本哈根解释的质疑。爱因斯坦认为,如果按照量子论的说法,任何一个粒子在没有看它的时候,它是一个概率波,那么就说明我们没有看月亮的时候,月亮也是一个概率波。这个问题引发了科学史上关于量子论本质的著名辩论。

薛定谔的猫是薛定谔为了质疑哥本哈根学派的概率波解释而提出的一个思想实验。

薛定谔说假设有一枚硬币,抛一下,它有正面和反面两种状态,按照量子论的解释,不看这枚硬币的时候,这枚硬币是正面和反面的叠加,既是正面又是反面。假设这枚硬币确实是正面和反面的叠加,现在把它放到一个箱子里,箱子里有一套连锁装置,如果硬币是正面,就会触发机关,把毒气放出来。箱子里放一只猫,毒气放出来,猫就被毒死了。如果反过来,硬币是反面,一切就保持原状,猫就活着。

薛定谔问:如果这个箱子是不透明的,我们没有打开箱子看之前,请问这个猫是什么状态?很明显,如果你说这个硬币是正面+反面的叠加态,按照逻辑推导,我们马上就可以知道这只猫必然是一个活猫和死猫的叠加态。

量子退相干是解释为什么微观层面存在量子叠加态,而宏观物体没有的原因。

退相干告诉我们,当你观测一个系统的时候,如果你忽略了这个系统跟所有环境的纠缠信息之后,这个系统的叠加性就会迅速消失,就会退化成经典概率的情况。这就是为什么我们看不见一只又死又活的猫。本质上退相干是一个可以被严格证明的数学理论,它是经过数学推导可以证明的。今天不谈数学,只是打个比喻。

你可以把量子的叠加态看成一滴墨水,本来它在一个小小的粒子上面是一滴墨水,当把这个粒子和猫纠缠在一起之后,相当于把这滴墨水放到一个杯子里(猫相当于一个杯子),很快这个叠加态就变成了整个系统的叠加态,相当于这滴墨水混合到整个杯子里面了。但是猫是很大的物体,它不可避免地要和周围环境继续发生作用,所以你可以想象这个杯子其实不是密封的,浑身是洞,而且杯子是放在汪洋大海里。

在很短的时间里,这一杯墨水会迅速跟周围的海水发生均匀的混合,也就是这滴墨水很快被稀释到整个大海里了。这时,如果你再去看杯子本身,你是看不到墨水的,看到的是非常干净的水。你看不到叠加态,叠加态消失了,它退相干到整个环境里了。

虽然量子退相干回答了薛定谔的猫这个问题,但是它也并没有解决量子论里面所有的难题。

量子论是一个非常神奇的理论,虽然它创建于一百多年前,对我们的生活产生了巨大的影响,已经构成了现代物理学的支柱,但是它还有很多基本的难题并没有得到解决。直到今天,物理学家仍然在争论。退相干仍然没有回答一些基本的量子力学的问题,包括所谓的叠加态到底是真实的状态,还是为了方便而假设的一种数学模型,包括叠加态会彻底消失吗?我们观测这只猫是死是活,它到底是怎么选择出来的?为什么宇宙里面有概率这个东西?

这些问题还没有得到解决,仍然在争论中,留待未来去研究和发现。

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