凡是學習《量子力學》的學生，都必須學會求解薛定諤方程，人類一百多年來也一直在求解各種各樣的薛定諤方程，並開發出激光、半導體、核能等新技術，造福人類近一個世紀。薛定諤正是因為在創建量子力學時所作的巨大貢獻榮獲了諾貝爾物理學獎。但其後來如同愛因斯坦一樣，對量子力學有諸多質疑，1935 年他發表了著名的薛定諤貓佯謬，質問客觀世界是否存在可以區分的量子態的疊加。
如圖1 所示，小盒子裝有放射性源，設其半衰期為一個小時，即一小時後有一半概率放射出一個粒子，根據量子力學疊加原理，一小時後空間將處於有一個粒子(記為|1> )，和沒粒子(記為|0> )的疊加態：|ψ> = 1/2( |0> + |1> )。如果有粒子，盒子的機關會被打開，於是鐵錘就會掉落下去，打破裝有毒氣的瓶子，此時毒氣會將密封於籠子裡的貓毒死，當然如果小盒子未放出粒子，這隻貓仍然會活著。那麼，一個小時後，這隻貓究竟是活的還是死的？按照量子態疊加原理推演下來，貓也應當處在一半概率是活，一半概率是死的疊加態上，這隻半死半活的貓就是歷史上著名的“薛定諤貓”。儘管它已有八十多歲，迄今依然是人們津津樂道的話題。
圖1 薛定諤於1935 年提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗示意圖
薛定諤提出這個佯謬本意是想問，宏觀世界是否存在與微觀世界一樣可區分態的疊加態？現實世界為何只看到要麼死，要麼活的貓，從未看到這隻半死半活的貓？可見這裡的關鍵詞是“死”和“活”這兩種可區分狀態，“貓”只是用於形象地表徵這個物理命題而已，採用貓呀狗呀都一樣。
興許貓恰好是薛定諤本人的寵物，他便拿它來說事，或許薛定諤討厭貓，故意使它處在半死半活的難堪狀態上處罰它，但無論怎樣，他不經意地就讓這隻貓揚名天下！所以不要太在意“ 貓”， 只關注“死”“活”。
談到宏觀可區分的量子態，人們自然會想到《量子光學》裡的相干態|α> 。相干態是最接近於經典的量子態，理想的激光就是相干態，而且當其平均光子數很大時，相干態的量子效應便可忽略不計，可被視為經典電磁波。因此在尋找“薛定諤貓”製備的方案，人們多數採用相位差為π 的兩個相干態的疊加作為“貓態”的候選者。這類方案已被實驗所驗證，最先是在原子尺度上製備這類“ 貓態”，其後又在宏觀尺度上也製備成功。因此“薛定諤貓”確實如量子力學所預言的那樣，在宏觀世界裡是存在的。
“薛定諤貓”可以生存，但是在現實世界中我們卻觀察不到這種疊加態，只能觀察到確定的狀態——“貓”要麼死，要麼活，僅有一種狀態。這就是所謂的宏觀實在性，即自然客體的宏觀可區分狀態總是確定的。
以玻爾為首的哥本哈根學派做了如下傳統的詮釋：我們只能通過測量才能確知“貓”處在什麼狀態，而測量會破壞被測的量子態，其結果是“活貓”和“死貓”的疊加態會塌縮到它們兩者之一的確定態。換句話講，現實自然界的宏觀實在性是人類對量子客體測量引起的所謂“波包塌縮”所造成的。
玻爾認為，只有測量之後看到的才是真實存在的，測量之前的量子世界是虛擬的，不真實的。正是測量決定了薛定諤貓是死還是活的命運。“測量”究竟發生了什麼？迄今人們還遠未搞清楚！
如果自然界的宏觀實在客體果真如玻爾所言是人類實施測量所造成的後果，那就意味著“人類”誕生在自然界之先，這怎麼可能呢？人類只不過是自然界演化中在特殊時間和特殊空間中的特定產物而已，玻爾的詮釋顯然本末倒置。此外，任何客觀實在客體都是由分子、原子、電子等微觀粒子構成的，那麼虛擬、不真實的微觀世界怎麼構造出真實的宏觀世界呢？哥本哈根學派也無法自圓其說！
宏觀世界存在的“薛定諤貓”是人們在實驗室裡採用特殊方法制備出來的，這種人造的“薛定諤貓”壽命不長，環境的消相干效應會最終使它因量子相干性消失而自動衰變為經典的貓，即要麼死要麼活的確定狀態。“消相干”會殺死薛定諤貓，這是否表明，宏觀實在性就是環境的消相干造成的？不完全對！
所有人為製備的量子系統都會飽受環境的消相干效應的破壞，如不採取有效的措施抵制這種消相干的影響，這些量子系統最後都會演化成經典系統。那麼自然界是否存在有環境消相干效應無法摧毀的量子系統呢？確實有。我們知道，任何宏觀客體都是由分子、原子、電子等微觀粒子構成的，這些遵從量子力學規律的微觀粒子是真實的，絕不是如哥本哈根學派所說的那樣是虛擬的。宏觀客體中的這些微觀粒子組份是量子系統，它們在環境中依然保持著量子特性，並不會因消相干被破壞掉，原因何在？其根源在於這些微觀量子系統中存在著很強的內在相互作用，粒子之間的強耦合遠遠大於環境的消相干作用(即退耦合作用)，因此微觀量子系統的量子性能夠牢固地保持住。
人造的量子系統會死亡，而自然生成的量子系統卻能永存。這就是自然界本來的狀況。宏觀客體遵從經典理論，具有宏觀實在性，其結構單元卻是量子客體，遵從量子理論，兩者和諧地融合為自然客體。人們迄今已成功建立經典理論和量子理論，能分別正確地描述經典世界和量子世界，但還無法完整地描述自然世界(量子力學與相對論並不融合)，原因在於我們還沒有研究清楚量子世界與經典世界之間的界限，究竟是什麼物理機制使得量子世界能自動地演化為經典世界。
如何判斷一個物理客體是經典的還是量子的？2003 年諾貝爾物理學獎獲得者Anthony Leggett 教授與合作者Anupam Garg 教授為此提出所謂“Leggett—Garg 不等式”(下稱LG 不等式)。凡是滿足此不等式的物理客體屬於經典世界，具有處於確定狀態的宏觀實在性；若違背LG不等式，則屬於量子世界，遵從量子態疊加原理。
為研究這個問題，我們可以借用“薛定諤貓”來幫忙。首先採用量子光學相干態人為地製造出一隻“薛定諤貓”，並採取措施保護這隻“ 貓” 不被環境消相干殺死。當然，在實驗上可以運用LG 不等式來識別這隻“貓”確實是“量子”的(即實驗結果若違背LG 不等式，就證實它是量子疊加態)。然後，在實驗上設法使“貓”逐漸胖起來(即增大相干態的平均光子數)，一直胖到LG 不等式不再被違背， 這時“薛定諤貓”便死掉了，變為經典貓，它處在死或活的確定狀態上。這便找到了經典與量子的界限。特別要強調，實驗中“薛定諤貓”之死，既不是環境的他殺，也不是測量引起波包塌縮導致，而是“貓”變胖後的自然死亡。
當然，我們還需要設計更多的這類使“薛定諤貓”自然死亡的實驗，最終從實驗上搞清量子世界自發演化到經典世界究竟有哪些機制。一個可能採取的實驗方案是，採用質量很小的客體來製備“薛定諤貓”，然後逐漸增大質量，直至貓自然死亡為止。從而確認質量、引力是否是量子過渡到經典的機制。一旦能在實驗上搞清楚“量子—經典”過渡的機制，就可以在薛定諤方程中加上體現這個機制的相互作用項，從而可能將量子理論與經典理論融合起來。因此，研究“薛定諤貓”為什麼會自然死亡成為探索量子世界奧秘的重要抓手之一。
量子十問系列：
本文選自《物理》2019年第1期
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