量子力学疑难问题及其剖析3：薛定谔的猫

刘山亮

2019.6.29

    本月3日《自然》期刊发表了耶鲁大学Z. K. Minev等人关于量子跃迁的实验研究工作，次日国内媒体就以“薛定谔的猫有救了？实现预测薛定谔猫的跳跃，并最终拯救它！”为题进行了报道，随后带有诸如“薛定谔的猫终于有救了”，“爱因斯坦又蒙对了”等言辞的报道纷纷出现，仿佛战无不胜的量子力学一夜之间阴沟翻船一样。果真如此吗？

薛定谔的猫是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的一个著名的思想实验。大意是: 把一只猫和一个装入盖革计数器的放射源置于一个密封的盒子中，放射源在一个小时内有原子核衰变和没有原子核衰变的概率相等。如果有原子核衰变，盖革计数器就产生反应，并作用于一个连着一个小锤的继电器, 使小锤打碎一个装有氢氰酸的瓶子，从而毒死关在盒子中的猫。

统计系综诠释认为：波函数描述的是一个微观粒子系综的状态，放射源中的原子核由两个子系综组成，其中一个子系综由已发生衰变的原子核组成，用波函数1描述；另一个子系综由未衰变的原子核组成，用波函数2描述。根据量子力学态的叠加原理，描述放射源状态的波函数就是波函数1和波函数2 的叠加，表示放射源中有些原子核已发生衰变，而另一些原子核还未发生衰变。在猫被放入盒子后，如果没有原子核衰变，猫就还活着；如果有原子核衰变, 猫将被毒死。也就是说，虽然原子核何时衰变、盒子中的猫何时死是随机的，猫在这一小时内死与活的几率都是二分之一，但是猫的状态是确定的，不是死就是活，这与量子力学态的叠加原理和人们的日常生活经验没有任何矛盾。

哥本哈根诠释认为波函数描述的是一个微观粒子的状态，一个放射性原子核处于已衰变和未衰变两种态的叠加态中，即处于既已衰变又未衰变的状态，其波函数是已衰变态波函数与未衰变态波函数的叠加；盒子中的猫相应地处于死和活的叠加态中。只有在观察后，盒子中猫的状态才是确定的，不是死就是活；才能相应的确定一个原子核是已经衰变还是没有衰变，其状态才是确定的。如果不进行观察，猫将永远处于死与活的叠加态中，原子核也相应地永远处于已衰变态和未衰变态的叠加态中，即永远处于既已衰变又未衰变的状态。根据日常生活常识，密封的盒子可以是透明的，人们可以利用各种不同的方式观察盒子中的猫是死还是活，而且可以肯定这些观察既不会使猫由活变死，更不会使猫由死变活，即盒子中猫是死还是活与观察无关，哥本哈根诠释得到的结论显然违背人们的日常生活常识。薛定谔利用这个实验巧妙地把原子核衰变这一微观过程与猫的死亡这一宏观过程联系起来，使微观不确定性变成了宏观不确定性，让人们看到了哥本哈根对波函数诠释荒谬的一面，说明波函数描述的不会是一个微观粒子的状态。坚持哥本哈根诠释的人把盒子中的猫处于死与活的叠加态看作是量子力学态叠加原理的必然结果，虽然不能否认薛定谔所指出的谬误，但是它们仍然认为薛定谔所指出的谬误不会是真实的，从而称其为佯谬。他们的理由是：量子力学态的叠加原理已经被所有相关的实验所证实，是不容置疑的。但是，如上所述，薛定谔所指出的谬误源自于对波函数的哥本哈根诠释，而不是量子力学态的叠加原理，是真实的，不是佯谬。

即使只使用放射源和盖革计数器也可以揭示哥本哈根诠释的谬误。如果盖革计数器有计数，就表明有原子核衰变。如果没有原子核衰变，盖革计数器就没有计数。如果一个放射性原子核既处于已衰变的状态又处于未衰变的状态，盖革计数器就会处于既有计数又无计数的状态，这显然是不可能的。也就是说，一个放射性原子核不可能既处于已衰变的状态又处于未衰变的状态，波函数描述的不会是一个微观粒子的状态。实际上，已有研究已经表明，对一个具体的放射性原子核来说，其寿命只与它自身特性有关，何时衰变是随机的，与是否观察无关，是不可预测的；它不是已经衰变，就是还未衰变，其状态都是确定的，不会处于既已衰变又未衰变的叠加态中；这些已经成为常识。

激发态原子的量子跃迁与一个放射性原子核衰变非常类似。已知的相关实验已经表明：一个处于基态的原子通过吸收一个光子而跃迁到激发态，一个处于激发态的原子能够通过自发放出一个光子由其激发态跃迁到较低的能态或基态，不论是吸收一个光子还是放出一个光子的跃迁过程的时间是极其短暂的，与激发态的寿命相比通常是可以忽略不计的；其激发态的平均寿命只与它自身特性有关；虽然何时自发辐射跃迁是随机的和不可预测的；但是它不是已跃迁就是还未跃迁，其状态都是确定的，不会处于既已跃迁又未跃迁的叠加态中。耶鲁大学研究小组对量子跃迁进行了深入的实验研究，于6月3日在《自然》期刊上发表的文章中并没有提及薛定谔的猫等类似的言辞。不过，该文中的关于量子跃迁的表述与上面所述的、已被先前实验广泛证实的观点是一致的，而与哥本哈根诠释的观点是矛盾的，这也许就是“薛定谔的猫有救了”等类似言辞的依据。“耶鲁大学实验推翻量子力学随机性”等类似言辞应该是把源自于哥本哈根波函数诠释的随机性误解为量子力学的随机性的结果。如前所述，盒子中的猫处于既死又活状态的随机性是源自于对波函数的哥本哈根诠释，而不是量子力学态的叠加原理。耶鲁大学研究小组的主要贡献是从实验上表明：能够在人造原子被观察到的同时、利用检测光子对其进行激发，造成量子跃迁，并及时发现检测光子的突然消失。由于原子激发态的寿命一般都非常短，检测光子的消失既是原子吸收该光子向激发态跃迁的一个特征信号，又是即将发生自发辐射即自发量子跃迁的预警信号，让研究人员能够建立一套提前预警系统，预测人造原子即将发生的自发“跳跃”动作。这对实现对量子信息的管理和控制会有积极的促进作用。