活貓的世界

恩，前面提到過和選叔一行無意間神侃了一次量子力學。怎料那之後求知慾大發，一連好幾天都在查關於量子力學的理論，并欲罷不能地愛上了薛同學的那隻倒霉貓lol……好吧就請嘲笑一下這個連電磁感應都不甚明白的科盲試著用大白話翻譯一下學術問題……感謝百度百科百度知道！感謝維基！感謝國家……

廢話少說，入題。


第一個問題：量子力學是研究什麽的？

恩總的來說，量子力學研究的是原子，電子等一系列微觀粒子的理論。這一點同研究宏觀宇宙的相對論不同。

量子力學的第一個理論應該是由普朗克于1900年提出的“黑體輻射”，在他的論文里第一次出現了量子假設，此後愛因斯坦擴展了他的理論並且成功解釋了“光電效應”。波爾藉助量子假設給出了“原子模型”。鑒於理論具體內容太複雜此處忽略之……

量子力學很重要的一點是“不確定性原理”，也就是說只能給出某個可能結果出現的機率。中學講電子云的時候提到的玻爾模型說的就是這回事——我們不能確定電子在軌道上的確切位置，而是只能給出電子在某一個位置出現的可能性。海森堡由此得出結論，微觀粒子只有在我們觀察的時候才存在。而處於“疊加態”的粒子，其狀態是不確定的，只有在觀測它的時候狀態才能唯一確定（所謂“疊加態”就是狀態不明，混合疊加了各種可能性），這便是量子疊加原理。

電子云的例子是比較好接受的，於是便有人問，這種疊加態對於宏觀世界的事物適用么？比如我知道盆同學今天在學校，那么在我沒有觀察她的時候，她可以是在學校的任何位置，直到我見到她的那刻她的位置才能確定，在此之前她一直作為雲霧狀態到處遊走（量子云）……很顯然這個說法聽上去有點荒謬，於是同樣傷腦筋但身為科學家的薛定諤同學就帶著他的可憐貓登場了。



問題二：薛定諤的貓是個什麽實驗？

首先要說的是，薛定諤真不是中國人！在此之前聽到這個名字我一直把他默認成中國人了，不得不說這個翻譯實在有誤導的傾向啊。恩，薛定諤，男，1887年生，奧地利人。他最大的成就呢，一是開創了概率波動力學，二是提出了描述微觀粒子運動的薛定諤方程。薛定諤方程是量子力學的基本方程之一，換言之，薛定諤是量子力學的創始人之一。

爲了證明疊加態不適用於宏觀世界，薛定諤設計了一個實驗。內容是這樣的：

一只倒霉貓被關在一個密閉的箱子裡（看了多個版本，據說爲了激發大家的憐憫一致默認成雌貓……囧），箱子裡有食物，還有被灌在瓶子裡的毒氣。在毒氣瓶的上方懸著一個錘子，錘子上有個電子開關，開關控制錘子是否落下。而電子開關被放射性原子控制，原子核發生衰變，放射出α粒子，電子開關就被開啟，錘子落下砸碎毒氣瓶，貓就被毒死；反之，原子核不發生衰變，電子開關沒有被開啟，毒氣瓶沒有被打碎，貓就存活。實驗裝置如下圖。

眾所周知（在此之前我真不知道……lol）原子發生衰變是隨機的，這就是爲什麼科學家所能精確知道的只是元素的半衰期。而這個實驗的關鍵在於：原子核何時衰變完全是概率性的，我們只有打開箱子的那一刻才能確定，貓到底是死了，還是活著。於是這個實驗最想要探討的問題也出現了：在我們打開箱子觀察之前，貓到底處於什麼狀態呢？

上面提過了量子的疊加態。按照當時主流的哥本哈根派的看法，此時這隻貓就處在“疊加態”下——這只貓既死了，又還活著，兩種狀態混合疊加在這只貓身上！換句話說，這只貓在它不知道的情況下“被量子化”了。然而當我們打開箱子，我們馬上就能確定貓是死是活，此刻它只能有一個狀態。即在打開箱子的瞬間，貓的量子態消失了，於是貓又完成了一個量子力學的重要過程——量子坍塌。

但是，一隻貓，居然既死了又活著？這顯然是違背生命科學和我們的日常經驗的，薛定諤便想借這個悖論來提出宏觀世界不適用量子疊加。



問題三：對薛定諤的貓態的解釋？（哥本哈根派——量子疊加）

按照日常生活的經驗，貓要么活，要么死，這是她的兩種本征態。如果用薛定諤方程來解釋，那么，貓在打開箱子前處在生和死的疊加態，只有在打開箱子的一瞬間，才能決定貓是死是活，此時貓的波函數立即從疊加態坍縮（collapse）成了本征態。難怪有人說薛定諤的貓就像是哈姆雷特王子的名言：To be, or not to be, that is a question. ——只有到了打開箱子的一瞬間王子的猶豫才結束。

哥本哈根派的這種說法的優點在於，只出現一個結果，與人們觀測到的結果相符合。長期以來物理學家們出於實用主義的考慮也都接受了這個觀點，但它的弊端在於違背了薛定諤方程——要求波函數突然坍縮，而物理學中沒有一個公式可以描述這種坍縮。



問題四：薛定諤貓與平行世界？（多世界詮釋——平行宇宙）

哥本哈根詮釋在很長一段時間成了“正統的”的詮釋，但那隻不死不活的貓卻總是像噩夢一樣擾得物理學家不得安寧。直到1957年艾弗雷特（Everett）提出了“多世界詮釋”（MWI - Many Worlds Interpretation），即“平行宇宙”理論（Parallel Universes）。

MWI與哥本哈根最本質的區別在於，哥本哈根認為貓始終只有一隻，她開始處於疊加態，坍縮后有1/2的可能活，1/2的可能死。而MWI則認為，貓并未疊加，而是分裂成了兩隻，一死一活，也就是說，“原子衰變了，貓死了”和“原子沒衰變，貓還活著”這兩個世界將完全獨立地演變下去。由此可以歸納出，每次實驗必定同時產生一之活貓和一隻死貓，且她們存在於兩個平行的世界中。

MWI的優點在於，薛定諤方程始終成立，波函數從不坍縮，因此簡化了基本理論。但這個設想的確過於離奇，人們一時很難接受這些平行的世界全都是同樣真實的。



問題五：平行世界的追問——量子自殺與人擇原理？

歸根結底，薛定諤的貓只是薛定諤提出的佯繆，就是看上去錯誤實際上并不錯的觀點。事實上美國科學家已經在實驗室裡成功使6個玻離子實現了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態，也就是實驗中那個不死不活的“薛定諤貓”態。

儘管如此，我仍然對平行宇宙的理論念念不忘（很多科學家對這個大膽的學說十分好奇），於是更進一步地了解了一下與其相關的量子自殺實驗，最終人擇原理等等。MWI的實質其實在於，把量子的不確定性分配到各個宇宙中去。換句話來說，在我們觀測的一瞬間，宇宙已經不知不覺地“分裂”了，表現出世界的疊加。兩個不同的宇宙，就象垂直的x軸，y軸，在x軸上發生的事件在y軸上沒有投影，反之亦然。無窮個宇宙，就象極高的維度空間，任意的直線和平面都幾乎是垂直的，所以不同宇宙互不影響。實際上，過去和將來所有可能的事情，都已經實際上發生了，或者將要發生，當然他們的大部分都只不過在另外那些奇妙的宇宙裡。說到這，大概就能很自然地聯想到“時空旅行”吧？用平行宇宙來解釋穿越的問題，就能夠避免掉“回到過去殺死自己”一類的悖論。

真正令人毛骨悚然的（我其實非常欣賞的）是大名鼎鼎的量子自殺實驗（Quantum Idioctonia）。實驗的內容可以看作是薛定諤的貓之真人版：假設一個勇於為科學獻身的仁人義士自告奮勇代替了薛的倒霉貓，在一套設備裡，我們利用原子衰變來控制扣動一把槍的扳機。那么同理，如果原子衰變，開槍，這個人就死了；如果原子沒有衰變，沒有開槍，他就活著。可想而知，隨著原子衰變概率的增加，槍的扳機遲早會扣動。根據哥本哈根的解釋，這人在若干次衰變后一定會中槍而死。而根據MWI，宇宙不停地分裂，但始終有一個（即使機率非常非常非常小）世界里的人是活著的，而量子自殺的結論就是，一個人無論如何試著去自殺都不會死！

舉個例子，假如此刻的我要自殺！譬如說拿刀抹脖子這個非常Sweeney Todd的方式吧，因為組成刀的是一群符合波動方程的粒子，所以總有一個非常非常小的可能性，以某種方式絲毫無損地穿透了我的脖子（幻想一下電影慢鏡頭，這該是個相當美的畫面XD），從而保持我不死！按照MWI的說法，一切可能發生的都實際發生了，所以其實不管換什麼方式自殺都一樣，跳樓也好，臥軌也好，割腕也好，上吊也好，總存在那麼一些宇宙，讓我還活著。這裡要注意的是，人擇原理（Anthropic Principle）認為，“我們看到的宇宙之所以是這個樣子，乃是因為我們的存在。”從這個角度來說，對你唯一有意義的存在就是你活著的世界。

也就是說，即使99.999...%的世界里的“我”尸橫遍野，那也無所謂，因為那些宇宙對“我”沒有意義，而從“我”自身的視角來看，“我”永遠都不會死！（當然在其他無窮個宇宙裡，可能你們就要為俺的夭折而惋惜了……每年的立夏請在我的墳頭上一支白玫瑰……lol）

平行宇宙理論的創立人Everett的全家都信仰這個理論。他的女兒Liz自殺前的遺書上也寫到，“去和她父親在另外一個平行宇宙中相會了”。我當真覺得這樣看來死亡也就不是一件太可怕的事情。也許他們真的能夠在另外的世界相會呢，一切都未可知。

回到正題。剛才說的一大堆就是量子自殺實驗推出的怪論——“量子永生”（Quantum Immortality）。只要從主觀視角來看，不但一個人永遠無法完成自殺，事實上他一旦開始存在，就永遠不會消失！如果多宇宙理論是正確的，那麼我們還可以得到一個推論是：一旦一個“意識”開始存在，從它自身的角度來看，它就必定永生。



後記

恩，零零散散算是把幾個重要且感興趣的理論給記下來了。雖然大部分只是摘抄整理百度知道/百科的詞條，理解的過程還是頗為艱辛啊。仍然有太多的問題想不明白：波函數方程的式子本身還是看不懂，電子雙夾縫實驗的原理不明所以，等等……lol。希望有機會聽到高人見解跟點播吧。

嘛，撇開技術層面的理解困難，其實對平行宇宙還是有很多聯想的。比如人生中看似充滿了無數的選擇，每一次的分裂而衍生出的無限種人生，比如穿越時空隧道找到過去的某某，或者未來的某某，比如在遙不可知的地方你卻知道有另一個自己過著不一樣的生活。當你打開想象力的時候，不得不承認這無限的可能性是多么的激動人心。然而最終還是會記起，我活著的這個世界才是對我有意義的，就算有千萬個宇宙的存在，過去也好，未來也好，自己對於其他的宇宙而言也只是個旁觀者。

珍惜當下的自己，珍惜意識清醒的每一分鐘，珍惜和自己同在一個宇宙的那個人吧。偌大的時空，繁忙的城市，沒有一天不是恩賜，我們定是祈禱了千生萬世才帶著祝福相遇在這個人間。