咱們繼續(xù)說波函數的特性。前面幾講我們一直在說波函數的種種神奇之處。我們發(fā)現波函數似乎有超越時空的感知能力，波函數的坍縮是個不可思議的過程，我們甚至說不清波函數到底是一個物理實在呢，還是僅僅是一種方便的數學描述。這一講咱們往回收一收，說一個被很多人認為特別神秘的問題，但是現有的量子力學知識就足以告訴我們它并不神秘。我希望這一講能讓你相信，研究量子力學的物理學家們并沒有徹底迷失自我。
這個問題就是“薛定諤的貓”。
量子力學原本是一個關于微觀世界的理論。我們通常用波函數描寫一個量子疊加態(tài)，說的都是像一個光子、一個電子這樣的東西。在你做出明確觀測之前，光子可以既走左邊的縫又走右邊的縫，電子的自旋可以既是正的又是負的，這種現象是量子世界最本質的神奇之處。我們覺得量子疊加態(tài)難以理解，是因為我們日常生活的這個宏觀的世界里沒有疊加態(tài)的現象。可是為什么宏觀世界沒有疊加態(tài)呢?
你大概可以簡單地說，這是因為宏觀世界里的物體都太大了。我們在第3講說德布羅意的物質波的時候說過，保齡球為什么沒有波動性?因為它的質量太重，所以波長太短。保齡球的空間波動性實在太小，所以我們無法觀測到它的位置是“幾條路徑的疊加態(tài)”。道理這么講似乎也說得通，但位置的波動性只是疊加態(tài)的一種，你又怎么能保證，沒有別的什么特性，能讓一個宏觀物體表現出疊加態(tài)呢?薛定諤就想出來一個。
這就是量子力學里最著名的一個思想實驗。薛定諤設想了這么一個情景。我們有一個盒子，盒子里面裝著一只貓和一個能探測到放射性衰變的裝置。這個裝置里有一個有可能會發(fā)生衰變的原子。
如果這個原子衰變了，裝置就會觸發(fā)一個機關―—比如說一個錘子會落下來，打碎一個裝著有毒氣體的瓶子。瓶子碎了有毒氣體跑出來，貓就會中毒而死。而只要那個原子沒衰變，貓就還會繼續(xù)活著。
原子衰變是個典型的量子隨機事件。一個可衰變的原子，給定一段時間，它都既有可能發(fā)生衰變，也有可能不發(fā)生衰變。只要我們知道這個原子的半衰期是多少，我們就可以精確選擇一段時間，確保在此期間內原子正好有一半的可能性衰變了，一半的可能性沒有衰變。在時間到了、你打開盒子之前的那一刻，那個原子是處于衰變和沒衰變的量子疊加態(tài)。
但是既然貓的死活是和原子的衰變完全關聯(lián)在一起的，我們也完全可以說，貓的死活，現在也是一個量子疊加態(tài)——
“薛定諤的貓”這個思想實驗，把微觀世界的量子力學效應給放大到了宏觀世界。貓，也可以處于疊加態(tài)嗎?
當然可以。我們上一講說了，連維格納的朋友這么一個大活人在實驗室里做觀測，都可以被實驗室之外的維格納認為是處于疊加態(tài)，那還有什么是物理學家不敢想的。當然，如果維格納的朋友戴上防毒面具，跟貓一起呆在盒子里，他會在第一時間知道貓的死活，他不會認為貓?zhí)幱谒篮突畹寞B加態(tài)。但是正如我們、說的那樣，這并不妨礙盒子外面的維格納把貓當做處于疊加態(tài)。
維格納和維格納的朋友會對貓的狀態(tài)有不一樣的說法，但那是上一講的主題，這一講咱們單說維格納站在盒子外面這個視角。薛定諤的真正問題是，如果貓可以處于疊加態(tài)，那為什么，我們在日常生活中，從來沒見過宏觀物體的疊加態(tài)呢?
你可能會說這是因為宏觀物體會被人看到。我們一旦打開盒子看到貓，貓的波函數就坍縮了。這似乎又回到了意識對波函數的作用這個老問題，但其實不必如此。我們完全可以既打開盒子，又故意不去觀測貓的死活狀態(tài)，就好像你可以不問光從哪條路來一樣。如果貓也可以既是死的又是活的，也許我們就可以弄一個可以擺弄貓的干涉儀，通過調整相位，就好像讓光子只去D2探測器一樣，讓貓一定不死......我們可以做各種各樣有趣的事情。那為什么做不到呢?為什么宏觀世界里沒有疊加態(tài)呢?
薛定諤那一代人當時沒想明白這個問題。但是新一代物理學家已經握出了非常合理的解決方案?，F在“維格納的朋友”仍然是個悖論，但是“薛定諤的貓”已經不一定是悖論了。
我們需要一個新概念，叫做“退相干”。
目前為止我們說的波函數，一般都是一個粒子的波函數，它等于這個粒子的兩種可能狀態(tài)之和。但如果你這個系統(tǒng)中包含幾個粒子，這幾個粒子之間還有相互的糾纏，而且粒子和周圍環(huán)境、探測的儀器之間也有糾纏，再使用單個粒子的波函數就不合適了。我們必須把所有這些粒子和環(huán)境因素都考慮到，寫一個大的波函數——
這個波函數的結構也是疊加態(tài)。其中每一個狀態(tài)都是系統(tǒng)中所有粒子各自的狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)相乘得到，然后整個的波函數是所有可能狀態(tài)的疊加。
在理想的情況下，如果這是一個孤立的系統(tǒng)，沒有擾動，而且這個公式中系統(tǒng)每一個可能狀態(tài)都還保持不變(用數學語言就是“相位”不變)，那么我們就說，這個系統(tǒng)是處于“相干態(tài)”。相干的意思就是這些狀態(tài)之間仍然可以發(fā)生同樣的干涉。
走過雙縫的一個粒子的兩個狀態(tài)——走左邊和走右邊——是相干態(tài)，所以我們才能看到干涉條紋。
疊加的兩條路徑的相位正好相差半個波長，才能發(fā)生干凈的相消干涉。
互相糾纏的兩個電子不管分隔多遠，只要它們還處于相干態(tài)，你測量其中一個的自旋就會立即決定另一個的自旋。
保持相干，就是讓波函數的各個疊加態(tài)的相位不變，如同是把波函數裝到罐頭里。
然而世界上并沒有絕對孤立的環(huán)境。粒子們總要和外界接觸，環(huán)境也會改變，所以那個大波函數的各個求和項會隨著時間變化。這樣各個狀態(tài)的干涉情況就得跟著變，以前能發(fā)生干涉的，現在可能就不能發(fā)生干涉了。
你想讓相干性變“好”很難，但是你想讓相干性變“差”很容易。稍微來點干擾，原本有個干凈的相位差，能發(fā)生漂亮干涉的幾個粒子就變得雜亂無章，這就叫做“退相干”。原本互相糾纏的兩個電子，一旦發(fā)生退相干，它倆就沒關系了，什么鬼魅般的超距作用、什么協(xié)調也就沒有了。退相干，就是這個波函數罐頭變質了。這就好像一個班的大學同學，原本因為一起學習，大家的思維同步，說起一個什么話題來很容易發(fā)生共鳴，這就是“相干”。時間長了每個人有不一樣的變化，有些話就說不到一起去了，慢慢變得彼此“不相干”——同學們再想弄個集體活動就越來越難，以至于你都覺得他們已經不再是一個集體了，這就是發(fā)生了“退相干”。
只要保持相干，少數幾個粒子就能代表很多很多有意思的可能性，它們充滿靈動；一旦退相干，這幾個粒子就好像從進退有度的士兵和會心靈感應的藝術家變成了吵吵鬧鬧的老百姓，就失去了靈氣。相干和退相干是科學家研制量子計算機的時候最關心的事情。想要用這幾個原子做量子計算，你必須讓它們保持相干，你不希望它們發(fā)生退相干，你得想辦法給波函數“保鮮”。
從相干到退相干的過程有點像波函數的坍縮，但是它跟坍縮有個本質區(qū)別：波函數坍縮是個瞬時的事件，但是退相干則是一個逐漸的過程，它的速度很快，但是會經歷一小段時間。
現在我們可以談論貓的波函數了。
貓不是一個孤立的東西?？紤]到貓隨時都在和外界環(huán)境互動，我們應該把打開箱子那一刻，貓的波函數寫成下面這個樣子——
而不是前面說的那個單純的死和活的疊加態(tài)。當然這個跟環(huán)境糾纏的波函數也是一個疊加態(tài)，那為什么我們沒有看到貓?zhí)幱诏B加態(tài)呢?為什么不能用貓做干涉呢?因為這個波函數迅速發(fā)生了退相干。
退相干是個可觀測的過程。2000年，美國國家標準技術研究所(NIST) 的物理學家已經在實驗室里全程觀察到了幾個粒子逐漸退相干的過程。而且他們證實了，參與的粒子數目越多，退相干的速度就越快。
那我們想想，貓加上盒子、再加上外界的環(huán)境，再加上探測的設備，這得有多少個粒子，這個退相干的速度得有多快。因為退相干的速度太快了，幾乎就是立即發(fā)生的事兒，所以誰也無法輔捉到貓的疊加態(tài)!
至此，“薛定諤的貓”這個問題就解決了。我們也可以回答開頭的問題了。
貓有疊加態(tài)嗎?回答是：貓有疊加態(tài)，只不過退相干的發(fā)生太快了，我們沒有看到。
為什么宏觀世界沒有疊加態(tài)呢?回答是：宏觀世界，日常生活中，也有疊加態(tài)，也是因為退相干發(fā)生得太快了，我們還是無法看到。
希望這一講能讓你對波函數有更深的認識。波函數有不可思議的地方，但是在數學形式上，它對物理學家來說非常清楚。至此我們對波函數的性質已經說的差不多了，現在我們需要解釋。
寫在后面：幾個要澄清的觀念
今天的物理學家已經不再認為“薛定諤的貓”是個悖論，但是有幾個關鍵的觀念，我們得說清楚。
第一，貓的死活，仍然可以處于疊加態(tài)。是的，因為退相干太快了所以我們觀察不到疊加態(tài)，但是你不能說宏觀物體沒有疊加態(tài)。
第二，“維格納的朋友”仍然是個悖論。在打開盒子之前，我們仍然可以認為貓?zhí)幱诏B加態(tài)，維格納也仍然可以認為他的朋友和那個光子一起處于疊加態(tài)，他的世界觀仍然跟他朋友不一樣。你可以說那個波函數隨時都在發(fā)生變動，但是那仍然是一個波函數。退相干并沒有說宏觀世界沒有波函數。退相干之后的波函數也是波函數，只不過因為太過雜亂無章，而不能給你帶來美麗的干涉條紋而已。
對退相干來說，物體的重量倒不是本質問題，關鍵在于粒子太多而容易變雜亂。如果我們把貓冷凍起來，讓組成它身體的粒子都更規(guī)矩一點，它的波函數退相干的速度就會慢一點。
第三，退相干并不能解釋波函數的坍縮。坍縮，是從疊加態(tài)變成其中一個確定的態(tài)，是瞬間發(fā)生的；退相干，是從“好的”疊加態(tài)變成了“不好的”疊加態(tài)，是逐漸發(fā)生的。因為退相干之后的各個疊加項的相位凌亂，我們可以說這時候再用一個統(tǒng)一的波函數描寫這些東西已經沒意義了——但是你不能說那個波函數沒了。
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