箱子里的猫既是活的又是死的，直到我们看到它

箱子里的猫既是活的又是死的，直到我们看到它

1935年，量子力学的鼻祖之一、奥地利天才薛定谔终于受够数学上的怪异诠释。经过与包括爱因斯坦在内的同僚漫长的讨论之后，他提出科学史上最著名的一个臆想实验。他撰写了一篇题为《量子力学现况》（The Present Situation in Quantum Mechanics）的长篇论文，发表在一份顶尖的德文科学期刊里。这篇文章自此被昵称为“薛定谔的猫”；许多人曾经绞尽脑汁试图凸显或破解这一则薛定谔所述的悖论，包含量子物理学家在内。这些年来，许多独具想象力的奇特解答陆续被提出，包括向过去的时刻发送讯息，以及意识心智的力量足以改变事实存在等。

薛定谔提出的问题是，如果将一只猫跟一部盖格计数器以及少量的放射性物质一起放在一个密闭箱子里一段时间，会发生什么事。由于放射性物质的量极少，有50％的概率在1小时内只会有一个原子产生衰变，并释出一个次原子粒子，例如阿尔法粒子。假如发生这种情况，将会触发盖格计数器，经由继电装置启动锤子打破一只小烧瓶，将氢氰酸释出到盒子里，立即置猫于死地（我想无需说明这类实验从未实际执行过，这就是为什么它被称作“臆想实验”）。

正如我们上一章所提到的，放射性原子衰变发生的时机，是一种甚至在原则上也无法事先预测的量子事件。根据量子力学另外两位开山祖师玻尔与海森堡所提出的标准来诠释，这并不是因为我们无法掌握预测所需的所有信息，而是因为在量子的层次上，大自然本身就不知道衰变何时会发生。许多人相信，这种随机事件能让我们幸免于上一章所提的牛顿决定论。我们只能推断，经过一段时间（与物质的放射性半衰期有关）之后，原子有某个概率会产生衰变。当箱盖盖上的那一刻，我们确知原子尚未衰变。之后，我们不仅不知道原子是否已产生衰变，而且还被迫将放射性样本中的每个原子描述成同时处于两种态——已衰变和未衰变，前者的概率随着时间增加，后者随着时间减少。我必须强调，这并不是由于我们无法得知箱子里发生什么事。我们被迫接受这种描述，因为这就是量子世界的运作方式：只有当原子与其他物质存在于如幽灵般的中间态时，微观世界才能被我们所理解。如果原子不是这样表现，我们恐怕就无法理解微观世界了。

只有在上述情况确实为真时，许多物理现象才得以获得解释。例如，要了解太阳如何发光，我们必须借由这些奇特的量子行为来说明其内部热核融合反应的过程。日常巨观世界中的物理定律常识并无法解释原子核如何融合在一起，使太阳散发出热与光。假使没有这些热与光，我们当然不可能在地球上生存。如果原子核的表现不按照量子规则，所带的正电荷会在彼此之间建构出一道斥力场屏障，它们便永远不可能靠近到足以进行融合。正是因为它们表现得像一团晕开的量子物质，所以可以彼此重迭，偶尔还会发生两者位于力场屏障同一侧的情况。

当薛定谔领会到量子世界是如此奇特后，他认为：猫也是由原子组成的，而每一个原子都遵从量子力学的法则；当猫被放在箱子里，其命运便与放射性原子纠缠在一起（术语叫做“缠结”， entangled），也应该适用相同的量子法则。如果原子未产生衰变，猫就会存活下来；如果发生衰变，猫就死了。如果原子同时处于这两种态，猫也必须同时处于两种态——活猫态和死猫态。这意味着，猫既不是真的活着也不是真的死了，而是处于一种模糊的、非物理的、介于两者之间的状态，只有当箱子打开，猫才会出现两种态的其中一种。这就是标准量子力学所告诉我们的，听起来像无稽之谈，毕竟我们从来没有看过这种既活又死的猫。量子物理却告诉我们，在亲眼目睹之前，我们必须用这种方式来描述猫的状态。

不论这个异想天开的概念听起来多么荒唐，请读者务必相信，它并不只是长时间浸淫在方程式中的理论物理学家们所得到的疯狂结论，而是科学上最强大而可靠的理论所做出的严谨预测。

当然，我希望你会认为，猫必然是死的或是活的，我们把箱子打开并不会影响其结果。问题不就出在我们无从得知箱内已发生的状况（或未发生的状况）？没错，这正是薛定谔想要凸显的重点。

尽管薛定谔对于新理论贡献极大（量子力学中最重要的方程式就是以他的名字来命名），他仍然不甚满意；甚至在1920年代，他光是在这些议题上就与玻尔及海森堡数度进行争辩。

不论对非物理学家的普罗大众解释得多么仔细，量子力学听起来依旧令人费解，甚至不切实际。但不论在逻辑上或数学上，规范量子行为的定律和方程式都是明确而完整的。就算许多量子物理学家自身未必满意方程式中的抽象符号与真实世界产生链接的方式，量子力学中丰富的数学架构依然非常实用且精确，无庸置疑地反映出这个世界的根本事实。我们能否在保留量子力学及其诡异性质的前提下，破解猫的悖论？如果无法解开这个谜题，又会如何？一路走来我们已经战胜许多强大的精灵，不该在这里被一只小猫击败。