然后呢?
有50%的机会小猫被毒死了。一切都取决于放射性衰变。
这是一个变态的实验,我同意。
你绝对不要在家里重复它。
现在,问题来了:那只猫死了吗?
量子效应正在出现,如我们所期待的。后果是宏观的——大到足够让我们看见。
但除非打开盒子,你无法知道放射性衰变发生了没有,因此你也没有办法知道管子有没有被打破,以及那只猫是死了还是活着。
阳光之下并无新鲜事,你这样觉得?好吧,在一个量子世界,你应该时刻警惕,尽量不要依赖常识。或者绝对不要。在这里做任何推断,都需要按照量子世界的规矩。在真实生活中,你可以预料盒子中的猫死了或活着。
但两种回答都可能出错。
在量子世界,只要可能,就必然发生。你现在应该已经熟悉这个规则了。
这里,放射性物质发生衰变和不发生衰变有着同样的概率,因此两者都发生了。就像一个粒子能够同时从金属柱子的左边和右边穿过一样,放射性衰变也同时发生了和没发生,只要没有人在看。我们前面已经说过,大多数时间,缘于各种不明确的原因,这种可能性的叠加不被我们注意到。它们从来没有发生在——或者到达——我们的尺度。然而,在我们这个特别的实验里,我们却通过设计让我们的眼睛能够看到:两种量子可能性(衰变发生或未发生)同时存在并且直接联系到一只猫戏剧性的死亡或存活之上。
那么量子世界的规则怎么说?
它们的说法是:衰变还是未衰变这一事件被直接联系到毒药和猫,只要盒子未被打开,这只猫既没有死去,也没有活着,而是同时存在。
在你打开盒子之前,衰变同时处于发生了和未发生状态,因此毒药已经被释放,也尚未被释放。
所以猫咪死了,却又活着。
死了并且活着。
听到这些,你立刻打开盒子去确认。
猫跳了出来,毫发未伤,依然非常可爱。
盒子底下也没有躺着尸体。
你挠了挠自己的脑袋。
这整个所谓“状态叠加”和“随后量子可能性塌缩”立刻听起来就像一个设计精巧的恶作剧,而不是真实现象。
我们搞错了吗?猫真的曾经有一段时间处于既生又死的状态,还是整个实验就是一个骗局?
让我们看看。
打开盒子意味着你与实验发生了作用,对不对?
啊哈。
所以你的确进行了干扰。你的确观察了。当有人进行了观察,大自然就必须作出选择。
因此,这个选择——也就是塌缩——如果是真实的话,显然已经发生:让猫活了下来。
但你在打开盒子之前,猫的命运已经决定了吗?还是在你打开盒子之后,极快的瞬间里被决定?
你又回到了最初的问题:塌缩真的发生了吗?
薛定谔在一九三五年设计了这个实验,许多年过去了,没有人能回答这个问题,直到法国物理学家塞尔日·阿罗什(sergeharoche)和美国物理学家大卫·维因兰德(davidj.wineland)成功地设计了一个真正的实验,并且能够在预期发生塌缩的瞬间探测到状态的叠加。
不过,这次他们没有用猫。
他们用的是原子和光。
他们看见量子叠加非常真实;几乎所有量子粒子都能够,也确实同时以不同且互斥的状态存在。今天,这也是工程师们试图建造量子计算机的基本原理。利用量子粒子能够同时以不同状态存在这一能力,能够实现同时“平行”计算的量子计算机的计算能力在原则上能指数级地强大于我们现在所用的经典计算机。阿罗什和维因兰德因此分享了二〇一二年的诺贝尔物理学奖。他们证实了薛定谔的猫真的处于既生又死的状态,在某个时间,两种状态同时存在。
那么这儿的谜团在哪里?
在于是什么东西消失了。
叠加是真实的,好吧。阿罗什和维因兰德证实了这个。我们只能接受。
但是当你打开盒子,当活着的小猫跳出来以及塌缩发生的时候,你没见到的那个可能性去了哪里?既然它在某个阶段显然是真实的,那么那只死猫哪儿去了?
那才是谜团。
许多科学家冥思苦想于这个问题,一些潜在的答案近来开始流行。一些人猜想那些没被观察到的可能性褪色了,就像滴入湖里的一滴墨水,湖就是我们生活其中的世界,就像未被实现的一串可能性在湖中扩散消失,只剩下实现了的那种——包括我们自身也是其中的一部分——被留下。另一些人认为这与我们的意识有关,我们进行实验这一动作本身或者甚至思想本身能够把现实冻结在某一个状态中,因此创造了现实。
然后出现了美国理论物理学家休·艾弗雷特三世(hugheverett3)。
出生于一九三〇年的艾弗雷特是个非常古怪的人。他极端聪明,同时研究数学、化学和物理学,最后在最有影响力的物理学家之一、美国普林斯顿大学的约翰·阿奇博尔德·惠勒(johnarchibaldwheeler)教授的指导下完成了博士论文。得到博士学位后艾弗雷特立刻就放弃了物理学,主要原因是他显然觉得物理学太过诡异。虽然惠勒教授尽了努力,科学界还是未能认真考虑他学生所提出的想法,这显然也是艾弗雷特放弃的原因之一。在二十一岁时,艾弗雷特离开理论研究,开始为美国军方进行绝密武器研究,最后死于过量的酒精和香烟。他的一生就像一些著名的诗人或画家在早年因其天才而散发光芒,可惜却不为当时的同行尊重一样。艾弗雷特一九五六年发表的博士论文后来成了经典。在他的论文里,他大胆而出色地声称,既然量子理论在非常小的尺度上如此完美,那么到我们日常生活的尺度上,它也应该一路被重视。我们宇宙中的一切都由量子物质构成,因此所有一切都应被看作是一个各种可能性同时存在的巨大量子波。
如果从这个视角看,那么没有什么塌缩发生。所有的可能性都依然存在。
从这个视角看,整个宇宙在每次作出选择时产生了分支,缘于实验或是其他观察。因此应该存在着无法想象之多的许多平行宇宙,其中每一种可能性,每一种可能的后果都以事实存在。
按照艾弗雷特的看法,我们的周围到处都是平行历史。
你站在两部电梯前犹豫要上哪一台,另一个你,在分叉出去的另一个平行宇宙,选了另一台。在又一个平行宇宙中,你撞在了两台电梯中间的墙上。还有一个宇宙中,你走楼梯。因此,所有的可能都被实现了。
在某种意义上,艾弗雷特对于量子物理学的理解在字面上的解释是,如果你能克服自私的障碍,你就永远不需要悲伤。任何时候,位于这里的你遭受什么不快,在无穷多的平行宇宙中无穷多的其他平行的你正因躲开了这个坏消息而满心快活。
艾弗雷特也还依然活在无数个这样的平行宇宙中,甚至还在阅读这本书呢。在某些宇宙中,他会喜欢我对他的描述;在另一些宇宙中,他不会喜欢;在还有一些宇宙中,他自己写了这本书,而且书里薛定谔的猫变成了一只绿色的狗。
按照艾弗雷特的解读,宇宙根本就没有作出任何真正的选择。所有可能的都实现了。
只是你不知道而已。
怪不得他放弃了物理学。
艾弗雷特的理论的确奇怪,但现在却有一些我们当代最伟大的物理学家认真思考他的学说,许多与我们时空起源有关的数学模型使用了他的想法。当然关于艾弗雷特的断言我们没有实验上的证据支持(或反驳),但它的确为为什么我们所生活其中的现实不是量子可能性的叠加提供了颇具吸引力的解释:那些我们没有体验到的可能性都很真实,只是存在于别处。
现在,在你试图习惯这种想法的时候,让我们很快地总结下迄今为止你经历了些什么。
自从你开始自己的旅程以来,你已经分别探访了非常巨大的世界和非常微小的世界。在宇宙王国快速飞行时,你发现了我们宇宙巨大尺度的样貌以及它们如何服从广义相对论的统治。在微观世界,你看到了大自然的量子规则与我们在日常生活中所熟悉的一切如此不同。直到本书这个部分开始之前,在理论和实验中,你所旅行的都是已知的疆域。你看到了在一个二十一世纪初的科学家眼中的宇宙的样子,不管是在哪一个尺度。
在这个部分里,你开始看到这些知识的局限。你看到了不仅广义相对论和量子场理论难以互相交流,还看到了在一些人眼中量子规则看起来没有统治我们日常活动的原因,或许是因为有平行世界的存在。
在本书第七部分,你甚至会看到更诡异的事情。
现在,让我们继续你的头脑练习,离开微小世界,回到爱因斯坦的疆域。他的理论又怎么样了?那里又有什么谜团隐藏着?
真的有吗?
它们也像给量子场理论蒙上灰尘的无限性那么普遍吗?
最后那两个问题的答案都是:是的。