生命線: (科學與信仰) 薛丁格的貓

2014年12月
文／黃小石

愛因斯坦到死都不相信量子力學。他說：「（量子論）有蠻多的論述，但並未讓我們更接近上帝的秘密，我深信上帝不賭骰子。」他曾千方百計地想出一些「思想實驗」，刻意挑起量子力學的矛盾，但就是找不出哪裡有錯。

◎量子力學

量子論的預測與實驗結果至今都相容。比方說：與電子旋磁比相關的常數g-factor，量子動力學預估2.002319304361，實際測量數值 2.00231930436146，這超過一兆分之一的準確度真是令人難以思議。

基於科學「證偽不證實」原則，只要有一個反例則理論不能成立，我們只能說量子力學不但沒有錯誤，且是物理學到現在為止最好的理論。我們所處的世界，比我們祖輩所了解的世界神秘多了，這主要歸功於量子力學。

可是，即便享有「量子力學之父」盛名的薛丁格，對量子力學的解釋也有保留。我在負笈來美一年後，於1964年11月，有幸參加費曼博士的演講，其中一句話讓我印象深刻：「我可以很放心地說：沒人了解量子力學。」次年，費曼因量子電動力學的成就與貢獻，榮獲1965年諾貝爾物理獎。若他尚且這麼說，我想真的是沒人了解量子力學了。

◎薛丁格的貓

量子力學，只能告訴我們一個物理狀態存在的可能性（或然率）。根據哥本哈根學派對薛丁格波動方程的解釋，在實際測量之前，這物理系統存在於某種所有可能性同時存在的混合狀態。薛丁格（愛因斯坦亦然）不同意這種看法，於是提出了現在稱為「薛丁格的貓」的悖論：

設想把一隻貓關在不透光的箱子（盒子）裡，其中有放射性元素，其衰變的可能性是50％（即在一小時之內，有個原子會發生衰變，而產生放射線的可能性為50％）；另外還有蓋革計數器、榔頭、極毒的氰化氫；若真發生衰變，蓋革計數器偵測到放射線，榔頭會打碎氰化氫瓶子放出毒氣，毒死小貓；同樣的可能性，是原子不發生衰變，小貓無恙。

過了一小時，在打開箱子察看貓的生死之前，按照量子力學觀念，這貓處在什麼狀態？哥本哈根學派認為：實際觀察之前，貓處在死貓與活貓並存狀態中；只有實際觀察之時，貓的或然率波方程「塌陷」為所有可能性中的一種特定狀態。

這仍是目前量子力學的主流看法，認為意識（觀察）與實存分不開，貓似乎對其自身的生死狀態不能辨識，因而不能產生「塌陷」現象，故在人觀察之前，這貓處在又死又活狀態。

◎「多重宇宙」學派

該學派的觀點是活貓與死貓同時實際存在，只不過存在於不同（但與量子力學相合）的宇宙中。這僅代表人對於量子波方程的詮釋，我們本來就不知道為什麼自然需要符合薛丁格的波方程敘述，我們只知道這波方程式的解，至今都全然合乎觀測結果。

至於這數學方程式是不是代表宇宙實存真相，沒人知道；是否其所有解釋都是實存，我們也不知道；不過我們知道，除非有了有意識的觀察，否則我們不能確定任何一個物理狀態的存在；目前的看法乃是有任何可能的狀態，且是同時存在的。愛因斯坦雖然不相信這種解釋，也無法挑出量子力學的毛病，但他仍然有出路。物質雖然可以有許多狀態同時存在的可能，卻只有在觀察中才能決定是哪個狀態；觀察，又不能不干擾被觀察系統（這可以說是「測不準原理」的來源）。我們可以想像改變「薛丁格的貓」之實驗：

把貓取出，以人代之；這位假想在「薛丁格箱子」裡的人，當然知道自己是活著還是要死了；若箱中放射性元素發生衰變，他死前記下時刻；雖然箱子沒打開，但箱子裡的人是處在或死、或活的狀態；這是因為人有「意識」，能分辨（測量）自己的波方程──「意識」帶來了固定的「實存」，不再是半死半活狀態。