「薛定諤的貓」(Schrödinger’s cat)可能是世界上最著名的思想實驗,也是量子理論的重要基礎。如今兩位物理學家設計了一個「多貓」版本的實驗,其結果讓所有物理學家大惑不解,並引發了激烈的爭論。

據《自然》雜誌報道,最近的這個「多貓」版實驗構想發現,如果量子力學的通用論述是正確的,那最新版實驗就會得到兩種完全相反的結論。這說明,量子理論是自相矛盾的。

新實驗的設計者、瑞士聯邦理工學院(ETH)的Daniela Frauchiger和Renato Renner於2016年4月首次發佈他們的設計。之後至今兩年裏,該理論讓物理界炸開了鍋。最終版論文9月中旬發表在《自然•通訊》上。

奇異的量子世界

量子物理學目前為止能解釋幾乎所有的近代物理現象,但是其不能得到確定結果的特性仍讓研究者們入迷地尋找答案。量子學物體,比如電子,其位置處於不斷運動中,可以用數學的波函數來表達,就像海上的波浪。但當其位置被測量的時候,其位置就是一個確定的值。

上世紀20年代量子物理學先驅Niels Bohr和Werner Heisenberg對此做了一種可通用的解釋,人們把他們的理論以Bohr居住過的城市命名為哥本哈根詮釋(Copenhagen interpretation)。該理論說,觀測量子系統的行為使得波函數從一個彌散狀態「坍塌」為一個數據值。然而,最新的這個實驗構想挑戰了包括哥本哈根詮釋在內的多個量子學理論。

薛定諤實驗的幾個版本

•1935年:盒子裏關著一隻貓,和一個與隨機性事件,比如由核衰變觸發釋毒的機關相連。在這種情況下,貓的生死只有在打開盒子查看後才是確定的,而在此之前貓處於生與死的疊加狀態。

•1967年:匈牙利物理學家維格納(Eugene Wigner)提議,把貓和毒氣機關換成一位物理學家(維格納的朋友)和一個測量儀,測量儀能返回某種隨機事件的結果,比如一枚硬幣哪面朝上的結果。問題是,當那位朋友知道了硬幣哪面朝上的結果時,波函數是否坍塌?一個學派認為是這樣的,認為意識在量子領域之外。但如果把量子學應用到物理學家身上,那在維格納打開盒子之前,這位朋友以及硬幣應該處於兩種結果的疊加狀態。

•2016年:Frauchiger和Renner的實驗更為複雜。他們設想有兩位維格納一起做實驗,把兩位朋友Alice和Bob分別關在兩個盒子裏。Alice投擲一枚硬幣,並把其結果通過量子信息的方式傳遞給Bob。Bob也用量子原理偵測Alice傳來的信息,並猜測硬幣哪面朝上。當兩位維格納打開盒子時,在某些情況下,他們兩得出的哪面朝上的結論是一樣;而在某些情況下,兩位維格納得出的結果是不一樣的。

對最新版實驗的不同解釋

這個實驗公佈後,量子學基礎理論領域的很多專家反響熱烈。很多人都在捍衛自己的理論。「有的爭辯甚至很情緒化,」Renner說,「多數人說這個實驗證明他們的詮釋是唯一正確的。」

位於加利福尼的查普曼大學(Chapman University)的理論物理學家Matthew Leifer認為,得到不一致的結果不是大問題。

他說量子學的一些理論本來就允許不同的觀察角度,有著不同的結果。他覺得這樣的解釋比認為量子學不適用於人體這樣的說法要「好受」的多。

至今,物理學家們對這個最新實驗意味著甚麼,如何解釋,仍無統一的答案。Leifer說:「我認為我們還沒找到合理的解釋。」 ◇