智慧路: (科學與信仰) 薛丁格的貓

2014年10月
文/黃小石

1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。

◎全知上帝的存在

若愛因斯坦相信全知上帝存在,他所擔心的那種「只能 用或然率來描述的狀態」就不會存在了,因為任何一個系 統的狀態,隨時都在祂的「觀察」中,而且這「觀察」不 同於人的觀察,不需要干擾被觀察系統狀態(祂能知人心 所想,卻不改變之)。

這樣看來,任何一個物理系統,隨時都有一個固定的、 卻是我們所不知的狀態。換句話說,「薛丁格貓」的悖論, 在有上帝的宇宙中是不成立的。這當然不是物理理論,而 是一種信念,因為這說法不能證偽。

其實「多重宇宙」看法,基本上也是一種不能證偽的信 念,只不過是基於另一種宇宙觀:只要合乎數學的(合理 的),就是存在的;一切存在的,也必是合乎數學的。不 曉得這種想法本身是不是合乎數學,但據我所了解的「哥 德爾不完備定理」,在任何一個夠複雜的邏輯系統裡,不 是所有真實的論述都可以被此系統的邏輯所證實。

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