你看得到我,你看不到我
迪士尼与皮克斯合作的动画电影《玩具总动员》(ToyStory)及其续集都是关于量子力学的。电影的主角是玩具,当主人安迪看向它们时,它们表现得像普通玩具,可一旦安迪不看它们,它们就“活”了过来。
安迪没有见过玩具的活跃状态,只看到过它们的经典行为。他似乎也从未注意到在每次游戏之间,玩具的位置发生了改变(虽然他很善良,但他并不是最善于观察的孩子)。但如果他仔细观察,可能就会发现玩具的位置每次都略有不同。
粒子也是如此。如果我们把目光从粒子身上移开,那么相比于我们观察的时候,它们的行为有很大的不同。我们可以用薛定谔方程猜测它们可能的位置,但永远无法准确地预测每次我们走进房间时会发生什么。
假设安迪开始详细记录每个玩具的位置及每次的状态,他可能开始注意到,只能用概率描述自己观察到的状态。例如,胡迪(1)有90%的可能性出现在安迪上次离开的地方,但也有可能(可能性不为0)出现在房间的另一边,甚至在大楼外的某个地方。
如果安迪属于哥本哈根学派,他会用简洁的数学解释所发生的一切。他的玩具以每种可能的状态出现在所有可能的位置,直到安迪进入房间,这时玩具的叠加态坍缩成某种经典态。但有一个永恒且博大(2)的问题:当安迪出现在房间里,是什么引起玩具的波函数发生变化的?
在《玩具总动员》中,有一个场景是胡迪向一群玩具解释它们不得不打破作为玩具的“规则”,那么这些规则究竟是什么?谁决定了这些规则?
如果在安迪的卧室安装摄像头,这些玩具会“活”过来吗?如果有人偷偷地在暗中监视玩具,它们该怎么办?当玩具被其他玩具注视时,它们还能活过来吗?为什么小狗巴斯特不算在内?如果有人工智能机器人会怎样?黑猩猩会引起坍缩吗?那个邪恶的孩子西德看到胡迪开口说话而精神崩溃,以至于放弃学业,在《玩具总动员3》中做收集垃圾的工作,这又该怎样解释呢?(仔细看,那个人绝对是西德客串的。)
试图在《玩具总动员》的宇宙中寻找测量的哲学意义是一场噩梦,但在量子力学中我们不得不这样做。测量问题不仅仅违背直觉,还提出了一些严肃的问题:是什么使现实成为现实?
人们经常弄混测量问题与海森堡不确定性原理,但它们还是有区别的。测量问题说的是粒子在被观察时选择所处的状态;而不确定性原理说的是,即使观察也无法得到粒子的全部信息。
不确定性原理可以类比为安迪的眼睛有问题,需要特殊颜色的眼镜才能看见东西。不戴眼镜看玩具,他能分辨出玩具的颜色,但图像很模糊。也就是说,他能测准颜色,但测不准形状。如果他戴上眼镜,玩具就变得清晰,但通过有色眼镜他就看不清楚颜色了。他可以选择测量颜色或形状,但永远不能同时测量。
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1932年,物理学家约翰·冯·诺依曼决定拆解双缝实验,对各个方面加以数学分析,从而确定是哪个阶段导致了波函数坍缩。测量过程的某些方面一定是特殊的。
他研究了正在生成的粒子,研究它如何离开发射器,如何接触狭缝,如何穿过狭缝,如何出现在另一侧等,并计算了相关的波函数。最后,令他大为恼火的是,他发现没有哪个阶段是特殊的。量子力学实验的每个部分在物理学上都是等价的。[1]
这极大地损害了哥本哈根诠释,因为既然不能证明是什么东西导致了波函数坍缩,那么为什么会出现坍缩呢?玻尔和海森堡耸耸肩,爱因斯坦挠了挠他的卷发,薛定谔关上了卧室的门。我们最好不要问里面发生了什么。
最终,匈牙利物理学家尤金·维格纳就测量问题提出了引起最广泛讨论(最不具代表性)的解决方案。他扩展了薛定谔的猫实验,把科学家本人纳入其中。