薛定諤的貓和宏觀量子效應(yīng)
凌云 劉一帆 王瑛琪 王純麟
（北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 07級 北京 100871）
摘 要 薛定諤的貓是由奧地利物理學(xué)家薛定諤在 1935 年為了質(zhì)疑量子力
學(xué)的哥本哈根解釋提出的。雖然在學(xué)界量子力學(xué)已經(jīng)和哥本哈根解釋等同起
來，但是薛定諤貓始終讓所有思考過它的人深深困惑，一些人因此仍在不懈
努力尋求比哥本哈根解釋更好的理論。另一方面，人們在實驗室中對宏觀物
體的量子效應(yīng)的實現(xiàn)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。有人把這稱之為薛定諤的貓的
長大。本文以各種理論對薛定諤貓的處理為線索簡要回顧了哥本哈根解釋以
及它的挑戰(zhàn)者以及它們的命運(yùn)，然后簡單介紹了一下宏觀量子效應(yīng)以及一些
被認(rèn)為實現(xiàn)了薛定諤貓態(tài)的重要實驗。
關(guān)鍵詞 薛定諤的貓 宏觀量子效應(yīng) 哥本哈根解釋 量子力學(xué) 多世界理論
退相干理論 退相干歷史 系綜解釋 隱變量理論 自發(fā)定域理論 SQUID 實驗
1、引言
自從普朗克在上個世紀(jì)的第一年提出黑體輻射的解釋開始，人們漸漸認(rèn)識到隱藏在經(jīng)
典世界下的量子世界。后者光怪陸離的性質(zhì)與人們在經(jīng)典世界中形成的常識相去甚遠(yuǎn)。上世
紀(jì) 2、30 年代玻爾（Niels Henrik David Bohr，1885-1962）等人提出的哥本哈根解釋取得
了巨大的成功，同時也帶給人們更多的困惑。如何理解不確定性、疊加態(tài)、互補(bǔ)性原理？量
子效應(yīng)為何無法在日常生活中觀察到？甚至，量子力學(xué)的深入研究，在人們關(guān)于因果性、決
定論、客觀實在等哲學(xué)范疇的理解中掀起了一場風(fēng)暴。在著名的薛定諤貓佯繆中體現(xiàn)了宏觀
世界和量子世界的激烈矛盾。另一方面，隨著實驗技術(shù)的進(jìn)步，人們已經(jīng)開始通過實驗逼近
量子世界和宏觀世界的邊界，實現(xiàn)了較大尺度上的量子態(tài)疊加。考慮到過去 80 年中量子力
學(xué)在實際應(yīng)用領(lǐng)域帶給我們生活的巨大貢獻(xiàn)，這些實驗具有深遠(yuǎn)的意義。
1.1 哥本哈根解釋1
1.1.1 量子力學(xué)的早期建立
19 世紀(jì)后期，擁有牛頓經(jīng)典力學(xué)體系和麥克斯韋電磁理論的物理學(xué)處于黃金年代。但正
如開爾文爵士（Lord Kelvin，1824～1907）所說，在物理學(xué)陽光燦爛的天空中漂浮著兩朵
小烏云，分別是黑體輻射問題和邁克耳遜-莫雷實驗的研究。后者導(dǎo)致了相對論革命，而普
朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858―1947）對于黑體輻射的解釋正是量子力學(xué)蹣
跚的起步。2
普朗克首先引入了量子化條件。在他之后，愛因斯坦提出了光量子理論，玻爾
提出了他對原子結(jié)構(gòu)的半量子化解釋都取得了實驗的證實，于是為偉大的量子力學(xué)也為同樣
偉大的這兩位科學(xué)巨人奠定了地位和影響。
17 世紀(jì)末開始的關(guān)于光的本性是波動還是粒子的問題的爭論延續(xù)了 300 余年，期間物
理學(xué)史上幾乎所有的偉大姓名都被鐫刻在了這場戰(zhàn)爭的英雄榜上。量子理論的建立將這場爭
斗推向了決戰(zhàn)的時刻。從德布羅意開始，這種矛盾似乎成了物理學(xué)的本質(zhì)問題，而海森堡從
- 1 - 不連續(xù)性出發(fā)創(chuàng)立了他的矩陣力學(xué)，薛定諤（Erwin Schr?dinger, 1887～1961）沿著另一條連
續(xù)性的道路也發(fā)現(xiàn)了他的波動方程。這兩種理論雖然被數(shù)學(xué)證明是同等的，但是其物理意義
卻引起了廣泛的爭論，波恩的概率解釋更是把數(shù)百年來的決定論推上了懷疑的舞臺，成為浪
尖上的焦點。
1.1.2 哥本哈根解釋
1926 年7月，玻恩.(Max Born，1882-1970)對薛定諤同年提出波動力學(xué)方程（即薛定諤
方程）中的ψ的意義的問題提出了概率解釋。1927 年，一些想法在另外兩位哥本哈根學(xué)派
的物理學(xué)家腦海中形成。海森堡在 1927.3.23 的《物理學(xué)雜志》的文章中提出了不確定性原
理（Uncertainty Principle）。而在 1927 于意大利 Como 舉行的會議上，波爾在題為《量子
公設(shè)和原子論的最近發(fā)展》的發(fā)言中首次提出互補(bǔ)性原理。
概率解釋、不確定性原理和互補(bǔ)性原理構(gòu)成了哥本哈根解釋的三大核心原理。概率解
釋認(rèn)為，薛定諤的波動力學(xué)方程中的波函數(shù)ψ是一種統(tǒng)計，它的平方代表了粒子在某處出現(xiàn)
的概率。這個解釋否認(rèn)了傳統(tǒng)意義上的因果性在量子世界中的存在，認(rèn)為量子世界的本質(zhì)是
隨機(jī)性。當(dāng)我們說“電子出現(xiàn)在 x處”時，我們并不知道這個事件的“原因”是什么，它是
一個完全隨機(jī)的過程，沒有因果關(guān)系。不確定性原理從矩陣力學(xué)的基本方程得出測量一對共
軛量的極限：
4
h
x t
π
ΔΔ≥
最重要的兩對共軛量是能量（E）/時間（T）以及位置（q）/動量（p）。3
海森堡告訴
我們，不可能同時精確測定電子的位置和動量，亦即，根據(jù)量子力學(xué)基本方程，像電子這樣
的東西不會同時具有精確的動量和精確的位置。不確定性原理限制了我們對微觀事物認(rèn)識的
極限，而這個極限也就是具有物理意義的一切。最后，因為存在著觀測者對于被觀測物的不
可避免的擾動，現(xiàn)在主體和客體世界必須被理解成一個不可分割的整體。沒有一個孤立地存
在于客觀世界的“事物”（being），事實上一個純粹的客觀世界是沒有的，任何事物都只有
結(jié)合一個特定的觀測手段，才談得上具體意義。對象所表現(xiàn)出的形態(tài)，很大程度上取決于我
們的觀察方法。對同一個對象來說，這些表現(xiàn)形態(tài)可能是互相排斥的，但必須被同時用于這
個對象的描述中，這就是玻爾聽上去更像哲學(xué)的理論：互補(bǔ)性原理。
在經(jīng)典理論中，只要具有足夠的初始條件和計算能力，物理學(xué)家能夠預(yù)測一切發(fā)生的事
情。而哥本哈根解釋否定了人們對確定性、因果性的認(rèn)識，許多人站到了它的對立面，包括
愛因斯坦。愛因斯坦和玻爾開始了被稱為二十世紀(jì)物理史上最激烈，影響最大，意義最深遠(yuǎn)
的一場爭論。80 余年來不斷有人試圖提出一些佯繆對哥本哈根解釋進(jìn)行攻擊。但是后者到
目前為止經(jīng)受住了每一次考驗，從 1927 年第五屆索末非會議上愛因斯坦的箱子到 1982 年
的基本上可以認(rèn)為實現(xiàn)了 EPR佯繆的阿斯派克特實驗。因此，現(xiàn)今大多數(shù)人提到“量子力
學(xué)”或者“量子論”的時候，他們指的就是哥本哈根解釋。但這些佯繆中有一個，最詭異最
令人迷惑，迄今也最讓大多數(shù)人無法達(dá)到一致意見，那就是 1935 年薛定諤提出的所謂“薛
定諤的貓”。
1.2 薛定諤貓佯繆
半死半活的“薛定諤的貓”是科學(xué)史上著名的怪異形象之一，和它同列名人堂的也許還
有芝諾的那只永遠(yuǎn)追不上的烏龜，拉普拉斯的那位無所不知從而預(yù)言一切的老智者，麥克斯
韋的那個機(jī)智地控制出入口，以致快慢分子逐漸分離，系統(tǒng)熵為之倒流的妖精，被相對論搞
- 2 - 得頭昏腦漲，分不清誰是哥哥誰是弟弟的那對雙生子，等等等等。薛定諤的貓在大眾中也十
分受歡迎，常常出現(xiàn)在劇本，漫畫和音樂中，雖然比不上同胞 Garfield 或者 Tom，也算是
有點人氣。有意思的是，它常常和“巴甫洛夫的狗”作為搭檔一唱一和出現(xiàn)。它最長臉的一
次大概是被“恐懼之淚”(Tears for Fears)，這個在 80 年代紅極一時的樂隊作為一首歌的標(biāo)
題演唱，雖然歌詞是“薛定諤的貓死在了這個世界”。
1.2.1 薛定諤的貓
與愛因斯坦一樣，作為量子力學(xué)創(chuàng)始人之一，薛定諤對量子力學(xué)的“哥本哈根解釋”經(jīng)
常提出質(zhì)疑.
4
愛因斯坦-波多爾斯基-羅森提出EPR佯繆5
對哥本哈根解釋進(jìn)行挑戰(zhàn)之后，
1935 年薛定諤6
對量子力學(xué)哥本哈根學(xué)派的提出了又一次挑戰(zhàn)。在一篇題為《量子力學(xué)的現(xiàn)
狀》(Die gegenwartige Situation in der Quantenmechanik)的論文的第5節(jié)，薛定諤描述了
那個常被視為惡夢的貓實驗。
“一只貓關(guān)在一個鋼盒內(nèi)，盒中有下述極殘忍的裝置（必須保證此裝置不受貓的直接干
擾）：在蓋革計數(shù)器中有一小塊輻射物質(zhì)，它非常小，或許在1 小時內(nèi)只有一個原子衰變。
在相同的幾率下或許沒有一個原子衰變。如果發(fā)生衰變，計數(shù)管便放電，并通過繼電器釋放
一錘，擊碎 一個小的氫氰酸瓶。如果人們使這整個系統(tǒng)自己存在1 個小時， 那么人們會說，
如果在期間沒有原子衰變，這貓就是活的。而第一次原子衰變必定會毒殺了貓”。
根據(jù)量子力學(xué)，盒內(nèi)整個系統(tǒng)處于兩種態(tài)的疊加
|u>=|e>? |死貓>+|g>? |活貓> (1)
之中，其中第一分量意味著死貓與原子嬗變態(tài)|e>的關(guān)聯(lián)；第二分量意味著活貓與原子穩(wěn)態(tài)
|g>的關(guān)聯(lián)（如圖1）。這樣的關(guān)聯(lián)狀態(tài)就是所謂的量子糾纏態(tài)。
圖1：作為量子糾纏態(tài)的“薛定愕貓” (取自Phys.Today,23,9 并修改)
薛定諤認(rèn)為，如果“哥本哈根解釋”關(guān)于量子力學(xué)測量的討論是正確的，則對由滿足量
子力學(xué)的微觀粒子組成的宏觀物體也應(yīng)是有效的. 由此推論，如果一只“宏觀的貓”處在死
態(tài)和活態(tài)的相干疊加上，貓的死活不再是一種獨立于觀察者主體的客觀存在，而是依賴于觀
察者測量.顯然，這是有背常理的：直到某人窺視盒內(nèi)看個究竟以前,不幸的貓繼續(xù)處于一種
懸而未決的死活狀態(tài)之中。理論上講, 貓自己還是知自己道是活還是死的。但根據(jù)量子測量
- 3 - 假說，處在這種怪態(tài)上，貓的生死是打開盒子前的“客觀存在”，而決定于打開盒子后的“觀
察”。看上去這個推論是不合理的，因而稱之為“薛定諤貓佯謬”。
1.2.2 魏格納的朋友1
當(dāng)人們還在為薛定諤那只倒霉的貓而爭論不休的時候，量子場論的奠基人，20 世紀(jì)著
名物理學(xué)家維格納（Eugene Wigner）又出來捅了一個更大的馬蜂窩，這就是所謂的“維格
納的朋友”。
“維格納的朋友”是他所想象的某個熟人(據(jù)說原型不是狄拉克就是馮諾伊曼)，當(dāng)薛定
諤的貓在箱子里默默地等待命運(yùn)的判決之時，這位朋友戴著一個防毒面具也同樣呆在箱子里
觀察這只貓。維格納本人則退到房間外面不去觀測箱子里到底發(fā)生了什么?，F(xiàn)在，對于維格
納來說，他對房間里的情況一無所知，他是不是可以假定箱子里處于一個(活貓高興的朋
友)AND(死貓悲傷的朋友)的混合態(tài)呢？可是，當(dāng)他事后詢問那位朋友的時候，后者肯定會
否認(rèn)這一種疊加狀態(tài)。維格納總結(jié)道，當(dāng)朋友的意識被包含在整個系統(tǒng)中的時候，疊加態(tài)就
不適用了。即使他本人在門外，箱子里的波函數(shù)還是因為朋友的觀測而不斷地被觸動，因此
只有活貓或者死貓兩個純態(tài)的可能。
2、哥本哈根解釋之后1
如果說“薛定諤的貓”比 EPR 佯繆更加辛辣，好像讓哥本哈根學(xué)派喝了一杯苦酒，那
么“維格納的朋友”簡直是一杯送給玻爾們的毒藥。這個佯繆直指哥本哈根解釋最模糊不清
的地方：觀測問題，以及宏觀世界與量子世界的界限。玻爾說波函數(shù)在觀測的時候坍縮。于
是引進(jìn)了關(guān)于觀測者的無盡爭論。照相機(jī)有資格成為觀測者嗎？薛定諤的貓呢？維格納的朋
友呢？最后人們發(fā)現(xiàn)意識被牽扯進(jìn)了物理學(xué)。玻爾對此含糊其辭。
富有想象力的物理學(xué)家們提出了各種各樣不同的解釋。下面我們將看看在各種理論中
薛定諤的那只貓命運(yùn)如何。
2.1 參與性宇宙(The Participatory Universe)
2.1.1 延遲試驗(delayed choice experiment)與惠勒的龍
1979 年是愛因斯坦誕辰 100 周年，在他生前工作的普林斯頓召開了一次紀(jì)念他的討論
會。在會上，愛因斯坦的同事，也是玻爾的密切合作者之一約翰·惠勒(John Wheeler)提出
了一個相當(dāng)令人吃驚的構(gòu)想，也就是所謂的“延遲實驗”(delayed choice experiment)?？紤]電
子的雙縫干涉，根據(jù)哥本哈根解釋，當(dāng)我們不去探究電子到底通過了哪條縫，它就同時通過
雙縫而產(chǎn)生干涉，反之，它就確實地通過一條縫而順便消滅干涉圖紋。惠勒通過一個戲劇化
的思維實驗（即所謂半鍍銀鏡實驗）指出，我們可以“延遲”電子的這一決定，使得它在已經(jīng)
實際通過了雙縫屏幕之后，再來選擇究竟是通過了一條縫還是兩條！
這是哥本哈根派的一個正統(tǒng)推論?；堇蘸髞硪柕脑捳f，“任何一種基本量子現(xiàn)象只
在其被記錄之后才是一種現(xiàn)象”，我們是在光子上路之前還是途中來做出決定，這在量子實
驗中是沒有區(qū)別的。歷史不是確定和實在的--除非它已經(jīng)被記錄下來。更精確地說，光子在
通過第一塊透鏡到我們插入第二塊透鏡這之間“到底”在哪里，是個什么，是一個無意義的問
題，我們沒有權(quán)利去談?wù)撍?，它不是一個“客觀真實”！惠勒用那幅著名的“龍圖”來說明這一
點，龍的頭和尾巴(輸入輸出)都是確定的清晰的，但它的身體(路徑)卻是一團(tuán)迷霧，沒有人
- 4 - 可以說清。
圖 2 惠勒的龍圖
在惠勒的構(gòu)想提出 5 年后，馬里蘭大學(xué)的卡洛爾·阿雷7
(Carroll O Alley)和其同事當(dāng)真
做了一個延遲實驗，其結(jié)果真的證明，我們何時選擇光子的“模式”，這對于實驗結(jié)果是無影
響的(和玻爾預(yù)言的一樣，和愛因斯坦的相反)，與此同時慕尼黑大學(xué)的一個小組也作出了類
似的結(jié)果。
2.1.2 增強(qiáng)版人擇原理
參予性宇宙(The Prticipatory Universe)是增強(qiáng)的人擇原理(anthropic principle)，它不僅表
明我們的存在影響了宇宙的性質(zhì)，更甚，我們的存在創(chuàng)造了宇宙和它的歷史本身！可以想象
這樣一種情形：各種宇宙常數(shù)首先是一個不確定的疊加，只有被觀測者觀察后才變成確定。
但這樣一來它們又必須保持在某些精確的范圍內(nèi)，以便創(chuàng)造一個好的環(huán)境，令觀測者有可能
在宇宙中存在并觀察它們！這似乎是一個邏輯循環(huán)：我們選擇了宇宙，宇宙又創(chuàng)造了我們。
這件怪事叫做“自指”或者“自激活”(self-exciting)，意識的存在反過來又創(chuàng)造了它自身的
過去！
在薛定諤的貓實驗里，如果我們也能設(shè)計某種延遲實驗，我們就能在實驗結(jié)束后再來
決定貓是死是活！比如說，原子在 1 點鐘要么衰變毒死貓，要么就斷開裝置使貓存活。但如
果有某個延遲裝置能夠讓我們在 2點鐘來“延遲決定”原子衰變與否，我們就可以在 2點鐘這
個“未來”去實際決定貓在 1 點鐘的死活！
就算從哥本哈根解釋本身而言，“意識”似乎也走得太遠(yuǎn)了。大多數(shù)“主流”的物理學(xué)家仍
然小心謹(jǐn)慎地對待這一問題，持有一種更為“正統(tǒng)”的哥本哈根觀點。然而所謂“正統(tǒng)觀念”
其實是一種鴕鳥政策，它實際上就是把這個問題拋在一邊，簡單地假設(shè)波函數(shù)一觀測就坍縮，
而對它如何坍縮，何時坍縮，為什么會坍縮不聞不問。量子論只要在實際中管用就行了，我
們更為關(guān)心的是一些實際問題，而不是這種玄之又玄的闡述！
2.2 多世界解釋（MWI）與退相干(Decoherence)
2.2.1 多世界解釋
- 5 - “多世界解釋”(Many Worlds Interpretation，簡稱 MWI)是由一生頗有傳奇色彩的休·埃
弗萊特(Hugh Everett III)在1954年提交給當(dāng)時在普林斯頓的約翰·惠勒的兩篇論文中提出的。
按照埃弗萊特的看法，波函數(shù)從未坍縮，而只是世界和觀測者本身進(jìn)入了疊加狀態(tài)。當(dāng)電子
穿過雙縫后，整個世界，包括我們本身成為了兩個獨立的疊加，在每一個世界里，電子以一
種可能出現(xiàn)。
通行的對MWI理論的簡單理解是每一次所謂的量子隨機(jī)過程發(fā)生時宇宙便分裂成幾個
世界i
。這樣一來，薛定諤的貓也不必再為死活問題困擾。只不過是宇宙分裂成了兩個，一
個有活貓，一個有死貓罷了。對于那個活貓的宇宙，貓是一直活著的，不存在死活疊加的問
題。對于死貓的宇宙，貓在分裂的那一刻就實實在在地死了，不要等人們打開箱子才“坍縮”，
從而蓋棺定論。嚴(yán)格地說，歷史和將來一切可能發(fā)生的事情，都已經(jīng)實際上發(fā)生了，或者將
要發(fā)生。只不過它們在另外一些宇宙里，和我們所在的這個沒有任何物理接觸。這些宇宙和
我們的世界互相平行，沒有聯(lián)系，根據(jù)奧卡姆剃刀原理，這些奇妙的宇宙對我們都是沒有意
義的。多世界理論有時也稱為“平行宇宙”(Parallel Universes)理論，就是因為這個道理。
MWI 的好處是取消了觀測者的主宰地位和薛定諤貓難以理解的不死不活的疊加態(tài)。另
外，它暗地恢復(fù)了經(jīng)典理論的決定論。上帝高高在上主宰一切，只不過凡夫俗子的我們看見
的只是宇宙的影子。但在許多人看來，為了一個小小的電子從左邊還是右邊通過的問題，竟
然要興師動眾地牽涉整個宇宙的分裂，這個理論有些大驚小怪了。甚至有人給這個理論貼上
“精神分裂”的標(biāo)簽。有人出于哲學(xué)上的雅致的理由拋棄多世界解釋——它產(chǎn)生了太多“累
贅”的世界，但是也有人認(rèn)為 MWI是形而上麻煩最少的因而對多世界趨之若鶩。多世界的
支持者中，有我們熟悉的費因曼、溫伯格、霍金。對 MWI表示直接反對的，著名的有貝爾、
斯特恩(Stein)、肯特(Kent)、彭羅斯等。
2.2.2 退相干理論
針對人們對 MWI普遍存在的誤解，近來一些科學(xué)家也試圖為其正名，澄清這種稀奇古
怪的“宇宙分裂”并非MWI和埃弗萊特的本意8
。
MWI的關(guān)鍵在于：雖然宇宙只有一個波函數(shù)，但這個極為復(fù)雜的波函數(shù)卻包含了許許
多多互不干涉的“子世界”。宇宙的整體態(tài)矢量實際上是許許多多子矢量的疊加和，每一個
子矢量都是在某個“子世界”中的投影，代表了薛定諤方程一個可能的解，但這些“子世界”
卻都是互相垂直正交，彼此不能干涉的。
i
這里順便澄清一下詞語方面的問題，對于MWI，一般人們喜歡把多個分支稱為“世界”(World)，把它們
的總和稱為“宇宙”(Universe)，這樣一來宇宙只有一個，它按照薛定諤方程發(fā)展，而“世界”有許多，隨
著時間不停地分裂。但也有人喜歡把各個分支都稱為“宇宙”，把它們的總和稱為“多宙”(Multiverse)，比
如著名的多宇宙派物理學(xué)家David Deutsch。這只是一個叫法的問題，多世界還是多宇宙，它們指的是一個
意思。
- 6 - 圖 3 退相干時密度矩陣迅速對角化
70 年代以來由澤(Dieter Zeh)、蘇雷克(Wojciech H Zurek)、蓋爾曼等人提出、發(fā)展、并走
紅至今的退相干理論(Decoherence)對于埃弗萊特的多宇宙解釋似乎有巨大的幫助。這個理論
解釋了物體如何由微觀下的疊加態(tài)過渡到宏觀的確定態(tài)：它主要牽涉到類如探測器或者貓一
類物體的宏觀性，也即比起電子來說多得多的自由度的數(shù)量，以及它們和環(huán)境的相互作用。
這個理論在 MWI里可謂如魚得水，它解釋了為何世界沒有在大尺度下顯示疊加性，解釋了
世界如何“分裂”，這些都是 MWI 以前所無法解釋的?；\統(tǒng)地說，當(dāng)儀器觀測系統(tǒng)時，它
同時還與環(huán)境發(fā)生了糾纏，結(jié)果導(dǎo)致儀器的疊加態(tài)迅速退化成經(jīng)典的關(guān)聯(lián)。我們這樣講是非
常粗略的，事實上可以從數(shù)學(xué)上證明這一點。假如我們采用系統(tǒng)所謂的“密度矩陣”(Desity
Matrix)來表示的話，那么這個矩陣對角線上的元素代表了經(jīng)典的概率態(tài)，其他地方則代表
了這些態(tài)之間的相干關(guān)聯(lián)。我們會看到，當(dāng)退相干產(chǎn)生時，儀器或者貓的密度矩陣迅速對角
化，從而使得量子疊加性質(zhì)一去不復(fù)返(參見圖 3)。這個過程極快，我們根本就無法察覺到。
在薛定諤的貓實驗中，單考慮放射性原子的態(tài)矢量，所涉及的變量相對較少，即單純描
述該原子行為的“世界”是一個較低維的空間。這里必存在兩個“世界”，宇宙態(tài)矢量在這
兩個世界上投影為|衰變> 和|不衰變>兩個量子態(tài)，但因這兩個世界維數(shù)較低，所以它們互相
并不完全垂直，因此這兩個世界仍然彼此相干（參見圖 4）。
而當(dāng)我們通過薛定諤的貓究竟是死還是活觀測到原子究竟是衰變了還是未衰變，對于
這一事件的描述所需的維度就急劇上升：戲劇性的變化來自于擁有巨大變量數(shù)目的環(huán)境的引
入。當(dāng)電子層次上的量子態(tài)疊加被儀器或者任何宏觀事物放大，我們所用于描述該態(tài)的“世
界”的維數(shù)也就迅速增加，這直接導(dǎo)致了原本相干的兩個投影變成基本垂直而互不干涉。這
個過程叫做“離析”或者“退相干”(decoherence)，量子疊加態(tài)在宏觀層面上的瓦解，正是
退相干的直接后果。
- 7 - 圖 4 低維世界的相干與高維世界的退相干
2.2.3 量子自殺與量子永生
不過，盡管退相干理論是 MWI的一個有力補(bǔ)充，它卻不能說明 MWI就是唯一的解釋。
事實上，我們也可以把退相干用在哥本哈根解釋里，用來確定“觀測者”和“非觀測者”之
間的界限——按照它們各自的自由度的數(shù)量。那些容易產(chǎn)生退相干的或許便更有資格作為觀
測者出現(xiàn)，所謂的觀測或許也不過是種不可逆的放大過程。我們還是不能確定到底是哥本哈
根，還是多宇宙。
多宇宙解釋有一個瘋狂的推論，即所謂量子永生。這個推論基于在 80 年代末由 Hans
Moravec，Bruno Marchal等人提出的“量子自殺實驗”。該實驗中一位志愿者代替了薛定諤
貓。根據(jù)哥本哈根解釋，實驗之后此人是否存活是一個幾率問題。而根據(jù)多世界解釋，一次
實驗之后必定產(chǎn)生一個活志愿者和一個死志愿者，不過他們分別位于不相干的世界中。而根
據(jù)人擇原理對于志愿者本人而言有意義的世界只有他存活的世界，因此最后的結(jié)論是他永遠(yuǎn)
不會死。推而廣之，如果 MWI是正確的，那么每個試圖自殺的人最后都會發(fā)現(xiàn)自己永遠(yuǎn)死
不了。此即所謂量子永生，也是一個最強(qiáng)版本的人擇原理。
這個推論雖然荒謬但看上去可以檢驗MWI是否正確。但邏輯上即使志愿者進(jìn)行了 1 萬
次實驗都沒有死他也只能宣布哥本哈根解釋有 99.99….9%可能是錯的。根據(jù)哥本哈根解釋，
他只是運(yùn)氣異常好而已。1
2.2.4 退相干歷史（Decoherent Histories）
1984 年，格里菲斯（Robert Griffiths)發(fā)表了他的論文9
，1991年，哈特爾(James B Hartle)
開始對它進(jìn)行擴(kuò)充和完善，不久，穆雷·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)和歐姆內(nèi)斯(Roland Omn
- 8 - és)也加入其中。
埃弗萊特的 MWI聲稱，宇宙在薛定諤方程的演化中被投影到多個“世界”中去，在每
個世界中產(chǎn)生不同的結(jié)果。即歷史只有一個，但世界有很多個。而哈特爾等人認(rèn)為,宇宙只
有一個，歷史則有很多個。按照退相干歷史(DH)的解釋，假如我們把宇宙的歷史分得足夠
精細(xì)，那么實際上每時每刻都有許許多多的精粒歷史在“同時發(fā)生”(相干)。比如沒有觀測
時，電子顯然就同時經(jīng)歷著“通過左縫”和“通過右縫”兩種歷史。但一般來說，我們對于
過分精細(xì)的歷史沒有興趣，我們只關(guān)心我們所能觀測到的粗粒歷史的情況。因為互相脫散(退
相干)的緣故，這些歷史之間失去了聯(lián)系，只有一種能夠被我們感覺到。
我們考慮薛定諤貓的情況：當(dāng)那個決定命運(yùn)的原子衰變時，就這個原子本身來說，它
的確經(jīng)歷著衰變/不衰變兩種可能的精粒歷史。原子本身只是單個粒子，我們忽略的東西并
不多。但一旦貓被拖入這個劇情之中，我們的歷史劇本換成了貓死/貓活兩種，情況就不同
了！無論是“貓死”還是“貓活”都是非常模糊的陳述，描述一只貓具體要用到 10^27 個粒
子，當(dāng)我們說“貓活”的時候，我們忽略了這只貓與外界的一切作用，比如它如何呼吸，如
何與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換……等等。就算是“貓死”，它身上的 n 個粒子也仍然要和外
界發(fā)生相互作用。換句話說，“貓活”和“貓死”其實是兩大類歷史的總和，就像“勝”是
“1:0”，“2:0”，“2:1”……等歷史的總和一樣。當(dāng)我們計算“貓死”和“貓活”之間的干涉
時，我們其實窮盡了這兩大類歷史下的每一對精粒歷史之間的干涉，而它們絕大多數(shù)都最終
抵消掉了。“貓死”和“貓活”之間那千絲萬縷的聯(lián)系于是被切斷，它們退相干，最終只有
其中的一個真正發(fā)生！如果從密度矩陣的角度來看問題，則其表現(xiàn)為除了矩陣對角線上的那
些經(jīng)典概率之外，別的干涉項都迅速消減為 0：矩陣“對角化”了！而這里面既沒有自發(fā)的
隨機(jī)定域，也沒有外部的“觀測者”，更沒有看不見的隱變量。
從數(shù)學(xué)上說，DH是定義得很好的一個理論，而從哲學(xué)的雅致觀點來看，其支持者也頗
為得意地宣稱它是一種假設(shè)最少，而最能體現(xiàn)“物理真實”的理論。不過，對其最猛烈的攻
擊來自GRW理論的創(chuàng)立者之一GianCarlo Ghirardi。自從DH理論創(chuàng)立以來，這位意大利人和
其同事至少在各類物理期刊上發(fā)表了 5 篇攻擊退相干歷史解釋的論文10。他指出，在DH解
釋下，一個物理描述，要取決于歷史族的選擇，而不是“客觀存在”的！這似乎和玻爾他們
是殊途同歸：宇宙中沒有純粹的客觀的物理屬性，所有的屬性都只能和具體的觀察手段連起
來講！
DH 的支持者辯護(hù)說，任何理性的邏輯推理(reasoning)，都只能用在同一個退相干家族
中，而不能跨家族使用。他們把這總結(jié)成所謂的“同族原則”(single family rule)，并宣稱這
是量子論中最重要的原則。
DH 的另一個難題是，在理論中實際上存在著種類繁多的“退相干族”，而我們在現(xiàn)實
中觀察到的卻只有一個。有無窮種其他的分法，其中的大部分甚至是千奇百怪，不符合常識
的，但理論并沒有解釋我們?yōu)楹斡^測到的不是這些另外的分類。 在這個問題上，DH 的辯
護(hù)者也許會說，理論只有義務(wù)解釋現(xiàn)實的運(yùn)作，而沒有義務(wù)解釋現(xiàn)實的存在。我們是從現(xiàn)實
出發(fā)去建立理論，而不是從理論出發(fā)去建立現(xiàn)實。不過 DH的支持者如果護(hù)定這樣一種實證
主義立場的話，他們也許暫時忽略了建立這個理論的初衷，也就是擺脫玻爾和海森堡的哥本
哈根解釋——那可是最徹底的實證主義。
2.3 隱變量理論(Hidden Variable Theory)
2.3.1 玻姆：從導(dǎo)波到量子勢
薛定諤的貓究竟是死是活？玻姆告訴我們，它的死活是由一些不可見的變量決定的。
- 9 - 愛因斯坦生前一直認(rèn)為，量子世界的隨機(jī)現(xiàn)象只是表面現(xiàn)象，在背后一定有些我們不可
見的變量決定著一切。他相信上帝這位慈祥的老頭子不擲骰子，雖然玻爾告誡他“別指揮上
帝怎么做”。和他懷有一樣理想的大有人在。德布羅意早在 1927 年的第五屆索爾維會議上就
提出過他的隱變量理論—導(dǎo)波理論。然而馮諾依曼卻給出了一切隱變量理論都無法對測量行
為給出準(zhǔn)確的預(yù)測的證明。20 年來沒有人發(fā)現(xiàn)馮諾依曼的證明是錯誤的，正如John Bell所
說，德布羅意的理論沒有被駁倒而是簡單的被踐踏了11
。
1952 年，玻姆（David Bohm）復(fù)活了德布羅意的導(dǎo)波，成功地創(chuàng)造了一個隱函數(shù)體系。
粒子擁有確定的位置和動量，而他的周圍彌漫著直到宇宙盡頭的“量子勢”(quantum
potential)。我們試圖觀測用的儀器會和量子勢發(fā)生作用從而使粒子改變它的行為模式。
玻姆的隱函數(shù)理論并沒有達(dá)到愛因斯坦的理想。即使德布羅意生前也未對這個理論表
示贊同。該理論的數(shù)學(xué)形式過于復(fù)雜，更為重要的是，玻姆為了保住客觀實在，犧牲了定域
性。
2.3.2 貝爾不等式12與阿斯派克特實驗
愛因斯坦至死都保留的對客觀實在和定域性的理想。1935 年他和波多爾斯基、羅森一
起發(fā)表的論文中提出了一個實驗，人稱 EPR 佯繆。該實驗事實上是檢驗定域?qū)嵲诘氖澜鐖D
景是否正確的一個判據(jù)。
1964 年貝爾在對EPR實驗的思考中提出了著名的“貝爾不等式”13。這個不等式給出了
定域?qū)嵲谑澜缰械牧Ｗ訁f(xié)作程度的界限。
1982年法國奧賽理論與應(yīng)用光學(xué)研究所(Institut d’Optique Théorique et Appliquée, Orsay
Cédex)里阿萊恩·阿斯派克特(Alain Aspect)帶領(lǐng)一個科學(xué)家小組第一次在精確的意義上對
EPR作出檢驗。14此后世界各地的實驗室在更精確的意義上檢驗了EPR佯繆15。所有的試驗
結(jié)果表明，愛因斯坦的理想破滅了。粒子們保持著神秘的聯(lián)系。物理學(xué)家們對此反應(yīng)不一16
，
有人選擇犧牲定域性，有人選擇犧牲客觀實在，然而，世界的圖像對于我們和以前是完全不
同了，愛因斯坦的理想被證明破滅了。
2.4 系綜解釋(the ensemble interpretation)
把量子論看作一種純統(tǒng)計的理論，它無法對單個系統(tǒng)作出任何預(yù)測，它所推導(dǎo)出的一切
結(jié)果，都是一個統(tǒng)計上的概念！也就是說，在量子論看來，我們的世界中不存在什么“單個”
(individual)的事件，每一個預(yù)測，都只能是平均式的，針對“整個集合”(ensemble)的，這
也就是“系綜解釋”(the ensemble interpretation)一詞的來源。
大多數(shù)系綜論者都喜歡把這個概念的源頭上推到愛因斯坦，比如 John Taylor，或者加拿
大 McGill 大學(xué)的 B. C. Sanctuary。愛因斯坦曾經(jīng)說過：“任何試圖把量子論的描述看作是對
于‘單個系統(tǒng)’的完備描述的做法都會使它成為極不自然的理論解釋。但只要接受這樣的理
解方式，也即(量子論的)描述只能針對系統(tǒng)的‘全集’，而非單個個體，上述的困難就馬上
不存在了。”
當(dāng)我們說“貓＝死＋活”的時候，意思就并非指一只單獨的貓同時處于死和活兩個態(tài)，
而只是在經(jīng)典概率的概念上指出它有 50%的可能是死，而 50%的可能是活罷了。當(dāng)我們“準(zhǔn)
備”這樣一個實驗的時候，量子論便能夠給出它的系綜，在一個統(tǒng)計的意義上告訴我們實驗
的結(jié)果。所謂“單個電子通過了哪里”“未開箱子的時候貓死還是活”之類的問題，是沒有
物理意義的。當(dāng)John Taylor被問到薛定諤貓在我們未觀測的時候，貓究竟是死的還是活的，
他回答說，在這里避開佯繆的唯一方法是說不允許我們在任何具體情況中找出答案。17
- 10 - 系綜解釋是一種非常保守和現(xiàn)實主義的解釋，它保留了現(xiàn)有量子論的全部數(shù)學(xué)形式，
因為它們已經(jīng)被實踐所充分證明。但在令人目眩的哲學(xué)領(lǐng)域，它卻試圖靠耍小聰明而逃避那
些形而上的探討，用劃定理論適用界限這樣的方法來把自己封閉在一個刀槍不入的外殼中。
2.5 自發(fā)定域理論（spontaneous localization，GRW 理論）
Ghirardi，Rimini和WeberGRW假定18，任何系統(tǒng)，不管是微觀還是宏觀的，都不可能在
嚴(yán)格的意義上孤立，也就是和外界毫不相干。它們總是和環(huán)境發(fā)生著種種交流，為一些隨機(jī)
(stochastic)的過程所影響，這些隨機(jī)的物理過程會隨機(jī)地造成某些微觀系統(tǒng)，從一個彌漫的
疊加狀態(tài)變?yōu)樵诳臻g中比較精確的定域，盡管對于單個粒子來說，這種過程發(fā)生的可能性是
如此之低——按照他們原本的估計，平均要等上 10^16 秒，也就是近 10 億年才會發(fā)生一次。
所以從整體上看，微觀系統(tǒng)基本上處于疊加狀態(tài)是不假的，但這種定域過程的確偶爾發(fā)生，
我們把這稱為一個“自發(fā)的定域過程”(spontaneous localization)。GRW有時候也稱為“自發(fā)
定域理論”。
雖然對于單個粒子來說要等上如此漫長的時間才能迎來一次自發(fā)過程，可是對于一個宏
觀系統(tǒng)來說可就未必了。拿薛定諤那只可憐的貓來說，一只貓由大約 10^27 個粒子組成，雖
然每個粒子平均要等上幾億年才有一次自發(fā)定域，但對像貓這樣大的系統(tǒng)，每秒必定有成千
上萬的粒子經(jīng)歷了這種過程。
Ghirardi 等人把薛定諤方程換成了所謂的密度矩陣方程，然后做了復(fù)雜的計算發(fā)現(xiàn)，因
為整個系統(tǒng)中的粒子實際上都是互相糾纏在一起的，少數(shù)幾個粒子的自發(fā)定域會非常迅速地
影響到整個體系，就像推倒了一塊骨牌然后造成了大規(guī)模的多米諾效應(yīng)。最后的結(jié)果是，整
個宏觀系統(tǒng)會在極短的時間里完成一次整體上的自發(fā)定域。如果一個粒子平均要花上 10 億
年時間，那么對于一個含有 1 摩爾粒子的系統(tǒng)來說(數(shù)量級在 10^23 個)，它只要 0.1 微秒就
會發(fā)生定域，使得自己的位置從彌漫開來變成精確地出現(xiàn)在某個地點。這里面既不要“觀測
者”，也不牽涉到“意識”，它只是基于隨機(jī)過程。
如果真的是這樣，那么當(dāng)決定薛定諤貓的生死的那一刻來臨時，它的確經(jīng)歷了死/活的
疊加。只不過這種疊加只維持了非常短，非常短的時間，然后馬上“自發(fā)地”精確化，變成
了日常意義上的，單純的非死即活。因為時間很短，我們沒法感覺到這一疊加過程。
GRW聽上去像是一個統(tǒng)一的理論，可以一視同仁地解釋微觀上的量子疊加和宏觀上物
體的不可疊加性。但是GRW本身面臨嚴(yán)重的問題。首先，按照GRW，任何物體隨時都“彌
漫”著整個宇宙，只是絕大部分在一個位置，這很難讓人接受。其次，GRW破壞了質(zhì)能守
恒，雖然微小，但是對于大多數(shù)人來說這不可容忍。最后，薛定諤方程是線性的，而GRW
用密度矩陣方程將它取而代之以后把整個理論體系變成了非線性的。這會使它作出一些和標(biāo)
準(zhǔn)量子論不同的預(yù)言，而它們可以用實驗來檢驗(只要我們的技術(shù)手段更加精確一些)。目前
為止標(biāo)準(zhǔn)量子論在每一次實驗中都戰(zhàn)勝了她的挑戰(zhàn)者，比如定域隱變量理論。因斯布魯克大
學(xué)的Zeilinger大膽地預(yù)測19，將來的實驗會進(jìn)一步證實標(biāo)準(zhǔn)量子論的預(yù)言，把非線性的理論
排除出去，就像當(dāng)年排除掉定域隱變量理論一樣。
2.6 小結(jié)
上面介紹了幾種對量子力學(xué)的解釋，以及薛定諤的貓在這些解釋中的命運(yùn)。然而還有還
有非常多的非主流解釋，我們并沒有提及。比如有人認(rèn)為當(dāng)進(jìn)行了一次“觀測”之后，宇宙
沒有分裂，只有我們大腦的狀態(tài)(或者說“精神”)分裂了！這稱為“多精神解釋”(many-minds
intepretation)，它名副其實地算得上一種精神分裂癥！還有人認(rèn)為，在量子層面上我們必須
- 11 - 放棄通常的邏輯(布爾邏輯)，而改用一種“量子邏輯”來陳述。另一些人不那么激烈，他們
覺得不必放棄通常的邏輯，但是通常的“概率”概念則必須修改，我們必須引入“復(fù)”的概
率，也就是說概率并不是通常的 0到 1，而是必須描述為復(fù)數(shù)。華盛頓大學(xué)的物理學(xué)家克拉
默(John G Cramer)建立了一種非定域的“交易模型”(The transactional model)，而他在牛津
的同行彭羅斯則認(rèn)為波函數(shù)的縮減和引力有關(guān)。彭羅斯宣稱只要空間的曲率大于一個引力子
的尺度，量子線性疊加規(guī)則就將失效，這里面還牽涉到量子引力的復(fù)雜情況諸如物質(zhì)在跌入
黑洞時如何損失了信息……等等。
量子力學(xué)的解釋之所以引來如此多的爭議，不僅因為它涉及到世界的本質(zhì)，更因為量子
力學(xué)的應(yīng)用改變了 20 世紀(jì)人類生活的面貌。量子論在物理界的幾乎每一個角落都激起激動
人心的浪花，引發(fā)一連串美麗的漣漪。它深入固體物理之中，使我們對于固體機(jī)械和熱性質(zhì)
的認(rèn)識產(chǎn)生了翻天覆地的變化，更打開了通向凝聚態(tài)物理這一嶄新世界的大門。在它的指引
下，我們才真正認(rèn)識了電流的傳導(dǎo)，使得對于半導(dǎo)體的研究成為可能，而最終帶領(lǐng)我們走向
微電子學(xué)的建立。它駕臨分子物理領(lǐng)域，成功地解釋了化學(xué)鍵和軌道雜化，從而開創(chuàng)了量子
化學(xué)學(xué)科。如今我們關(guān)于化學(xué)的幾乎一切知識，都建立在這個基礎(chǔ)之上。而材料科學(xué)在插上
了量子論的雙翼之后，才真正展翅飛翔起來，開始深刻地影響社會的方方面面。在量子論的
指引之下，我們認(rèn)識了超導(dǎo)和超流，我們掌握了激光技術(shù)，我們造出了晶體管和集成電路，
為一整個新時代的來臨真正做好了準(zhǔn)備。量子論讓我們得以一探原子內(nèi)部那最為精細(xì)的奧
秘，我們不但更加深刻地理解了電子和原子核之間的作用和關(guān)系，還進(jìn)一步拆開原子核，領(lǐng)
略到了大自然那更為令人驚嘆的神奇。在浩瀚的星空之中，我們必須借助量子論才能把握恒
星的命運(yùn)會何去何從。因此，人們不僅關(guān)心在理論層面上討論“薛定諤貓”的命運(yùn)，更希望
實際上的“薛定諤貓”能帶給我們更多的東西。
3、“薛定諤的貓”的實驗實現(xiàn)20
3.1 宏觀量子效應(yīng)
科學(xué)家已經(jīng)實現(xiàn)了原子集團(tuán)和分子集團(tuán)水平上所謂宏觀量子效應(yīng)，也有人喜歡把這些
效應(yīng)作用下的狀態(tài)稱為“薛定諤貓態(tài)”(s-cat)。宏觀量子效應(yīng)（Macroscopic Quantum Effect）
是在超低溫等某些特殊條件下，由大量粒子組成的宏觀系統(tǒng)呈現(xiàn)出的整體量子現(xiàn)象。根據(jù)量
子理論的波粒二象性學(xué)說，微觀實物粒子會象光波水波一樣，具有干涉、衍射等波動特征，
形成物質(zhì)波（或稱德布羅意波）。但日常所見的宏觀物體， 雖然是由服從這種量子力學(xué)規(guī)律
的微觀粒子組成，但由于其空間尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些微觀粒子的德布羅意波長，微觀粒子量子
特性由于統(tǒng)計平均的結(jié)果而被掩蓋了。因此，在通常的條件下，宏觀物體整體上并不出現(xiàn)量
子效應(yīng)。然而，在低溫降低或粒子密度變大等特殊條件下，宏觀物體的個體組分會相干地結(jié)
合起來，通過長程關(guān)聯(lián)或重組進(jìn)入能量較低的量子態(tài)，形成一個有機(jī)的整體，使得整個系統(tǒng)
表現(xiàn)出奇特的量子性質(zhì)。例如，原子氣體的玻色-愛因斯坦凝聚（圖5）、超流性、超導(dǎo)電性
和約瑟夫遜效應(yīng)等都是宏觀量子效應(yīng)。科學(xué)家已經(jīng)實現(xiàn)了原子集團(tuán)和分子集團(tuán)水平上所謂宏
觀量子效應(yīng)，也有人喜歡把這些效應(yīng)作用下的狀態(tài)稱為“薛定諤貓態(tài)”(s-cat)。 21
- 12 - 圖 5 玻色-愛因斯坦凝聚的實現(xiàn)
3.2 單原子級的“薛定諤貓”的成功制備
1996年,美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)學(xué)院(NIST) 的一實驗小組成功實現(xiàn)了一個單原子級的“薛
定諤貓”22。其中兩個相干態(tài)波包,代表“活貓”和“死貓”,本身寬度約為7nm(納米) ,而它
們的中心間距為80nm ,這在空間上是明顯分開的,即宏觀上可區(qū)分。這相當(dāng)于鈹離子有一個短
暫的時刻似乎存在于兩個地方———兩個分離得很好的位置的一個疊加之中。這也好像一個
在碗中來回滾動的彈球,在某一點,彈球好像是沿著相反方向來回滾動的兩個彈球,相互穿過
對方并同時出現(xiàn)在碗的每一邊〔4〕。這是現(xiàn)代物理學(xué)史上在大于微觀尺度的介觀水平上成功
實現(xiàn)的第一個“薛定諤貓”實驗,盡管這個物質(zhì)態(tài)的類“薛定諤貓”非常小,不是一個在日常
生活中可以看得見的物體,但是它已拓展了量子力學(xué)的適用范圍。實驗也初步觀察到“薛定
諤貓”從“死活”疊加的量子態(tài),變?yōu)榻?jīng)典的“死貓”或“活貓”是隨著貓態(tài)變大而加速的,
這表明我們習(xí)見的經(jīng)典態(tài)并不是因為我們看才存在或說有確定的態(tài),這其中深藏的一種量子
向經(jīng)典過渡的退相干機(jī)制曾經(jīng)躲過了人的眼睛。
- 13 - 3.3“薛定諤貓”漸近退相干的微腔QED 實驗
1996 年到1998 年,巴黎一實驗小組利用腔中輻射場相干態(tài)的疊加,實現(xiàn)了更大尺度的介
觀“薛定諤貓”的制備23。實驗還用一個銣原子充當(dāng)“量子鼠”角色去探測腔中輻射場“貓”
態(tài)的行為,從而實現(xiàn)了一個不打開盒蓋而讓一只亞原子“老鼠”走到“貓”的鼻子底下,看看
究竟發(fā)生了什么的不需要人眼“最后一瞥”的量子測量。這一方面打破了玻爾所認(rèn)定的測量
儀器必須是經(jīng)典物理學(xué)研究范疇的觀念,因為這個“量子鼠”僅僅由于其微小的體積,就使其
本質(zhì)上是量子物理學(xué)研究的對象。另一方面也首次在量子測量過程中用可控的方法,成功地
完成了量子疊加態(tài)退相干過程的動力學(xué)觀察,揭示了量子測量中量子系統(tǒng)相干性的消失,經(jīng)典
性的出現(xiàn)確實與人類觀察者的“主觀介入”不相干,這是一個由于量子態(tài)之間發(fā)生糾纏而導(dǎo)
致的客觀的退相干過程。量子測量的這一研究進(jìn)展通過揭示“量子向經(jīng)典過渡”的物理機(jī)制,
也表明量子力學(xué)是對物理實在的客觀描述。
3.4“薛定諤貓”變胖了———SQUID 宏觀量子疊加實驗
2000 年,紐約州立大學(xué)石溪分校的Stony Brook實驗小組,運(yùn)用一個沒有耗散效應(yīng)的特殊
超導(dǎo)環(huán),成功實現(xiàn)的由數(shù)十億電子對組成的非常和諧地、沒有阻抗地運(yùn)動的兩個宏觀不同磁
通態(tài)的量子疊加實驗24。在這個實驗中,兩個宏觀不同的磁通態(tài),一個對應(yīng)于順時針方向繞環(huán)
流動的一些微安培電流,相當(dāng)于“活貓”;一個對應(yīng)于逆時針方向繞環(huán)流動的等量的微安培電
流,相當(dāng)于“死貓”。它們在環(huán)中反向流動所形成的對稱和反對稱的疊加,相當(dāng)于一只死活疊加
的“薛定諤貓”。宏觀“薛定諤貓”態(tài)的成功制備,打破了微觀量子和宏觀經(jīng)典的二分法,表明
量子力學(xué)具有普適性。可是,為什么我們在日常生活中沒有看到過死活疊加的貓? 原來,石溪
小組運(yùn)用的裝置是極為特殊的,它是一個自由度既能產(chǎn)生完全可區(qū)分的宏觀態(tài),又能與環(huán)境保
持充分地退耦合的超導(dǎo)系統(tǒng)。除了超導(dǎo)、超流和輻射外,一般的宏觀系統(tǒng)都不具備這種特性,
因而宏觀量子相干態(tài)并不是隨處可見。也就是說,通常的宏觀系統(tǒng)會與環(huán)境耦合從而導(dǎo)致宏
觀量子態(tài)迅速退相干,使得宏觀經(jīng)典態(tài)成為一種常態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著實驗量子物理學(xué)中的
一個重大里程碑,也標(biāo)志著量子力學(xué)的哲學(xué)研究的一個重大里程碑。
4、結(jié)束語
薛定諤貓佯繆的尖銳在于把哥本哈根解釋中含糊其辭的疊加態(tài)作用于生死這樣的問
題。當(dāng)模糊不清的景象僅僅在于電子穿過左縫還是右縫，兩個粒子在數(shù)光年以外的協(xié)同合作
之類的問題的時候，人們或許可以采取哥本哈根的鴕鳥政策，對究竟發(fā)生了什么毫不關(guān)心，
甚至囂張地取消詢問“究竟發(fā)生了什么”的意義，因為涉及的物體只是電子、中子等等遙遠(yuǎn)
微小的沒有情感沒有命運(yùn)的物體——究其本質(zhì)，電子、中子等等在玻爾那里只是一個方便用
來描述的模型而已，并不代表實際存在的實體。然而當(dāng)薛定諤指出量子幽靈也可能附身于一
只有血有肉的貓的時候，人們不由得驚恐起來——從薛定諤的貓到維格納的朋友只有一步之
遙——事實上每個人都知道我們完全可以把一個人放在那只貓的位置上，這個人甚至可以就
是自己。這才是薛定諤的貓為何成為科學(xué)史上最有名的一個動物形象的原因。我們何時能親
耳聽見它的喵喵聲還不得而知，然而科學(xué)家們已經(jīng)開始了一步一步將它從量子幽靈的深處釋
放出來的工作。也許它的到來將會像量子力學(xué)在自己的整個歷史上所做的事情一樣，毀滅一
切戰(zhàn)勝一切，然后，給我們一切。
- 14 - 參考文獻(xiàn)
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The Schr?dinger’s cat and the quantum
effects of macroscopic objects
By Y.LIN, Y.F.LIU, Y.Q.WANG AND C.L.WANG
College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking Univ., 100871
Abstract The Schr?dinger’s cat was put forward by the famous Austrian physicist Erwin
Schr?dinger in 1935 to question the Copenhagen interpretation of quantum mechanics. Though
the Copenhagen interpretation has been the orthodox interpretation of quantum mechanics, the
Schr?dinger’s cat deeply confuses every one who has put a thought on it. Hence, some people
are still pursuiting a better theory than the Copenhagen’s. One the other hand, scientists have made
progress in the achievement of the quantum effects of macroscopic objects in lab. Some people
call this the “growing up” of the Schr?dinger’s cat. This article reviews the Copenhagen
interpretation and its challengers through the thread of all kinds of theories dealing with the
Schr?dinger’s cat, and then briefly introduced the macroscopic quantum effects and some
important experiments which were considered to have realized the S-cat state in atom-molecule
scale.
Key words Schr?dinger’s cat; Macroscopic quantum effect; Copenhagen interpretation; Quantum
mechanics; MWI; Decoherence theory; Deocherenc History；the ensemble interpretation；Hidden
Variable Theory；GRW；SQUID
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