科学史上最离奇的佯谬

杨建邺

前十来年有一个很受欢迎的电视连续剧《时光隧道》，让观众大大地享受了一下幻想的乐趣。剧中的主人公通过一种叫“时光隧道”的机器，可以随心所欲地回到过去任何一个时代（也有一次由于不小心弄错了，回到一个与预先设计不同的时代）。于是发生了种种有趣的事情。类似的幻想故事还多得很，其中最迷人的地方也许是由于主人公偶然干预了几百年前的事件过程，结果出现了与历史课本上完全不同的历史。打个比方：由于主人公偶然的干预，武媚娘没有被皇帝宠幸，于是唐朝出现了一个与现在中国历史不同的，没有武则天的历史……。

这很有趣，可以充分发挥和满足人的想象力，让人海阔天空、天南海北地遐想。但是人人都知道这是科学幻想，不是事实，因此不会信以为真。但是在1957年，美国普林斯顿大学有一位叫埃弗雷特（Hugh Everett）的著名物理学家在一篇文章中却说，在我们这个“现实的”宇宙之外，本来就存在着与我们这个宇宙不同的许许多多彼此“平行的”、不连通的宇宙，而且它们都是同样的真实。

这是真的吗？该不又是一个科幻故事吧？是真的，不是科幻故事。埃弗雷特的这个假说现在被正儿八经地称之为“多世界诠释”（或“多世界理论”）。尽管目前还有许多科学家对这个理论持一定的怀疑态度，但是这个诠释却似乎越来越被人们看好。

你也许想知道这个过于离奇的诠释？那你就得知道科学史上最离奇的佯谬——薛定谔的猫。这可真是不太容易，因为这涉及到最难懂的量子力学。但是，现在有一本书，也许可以比较容易地和最大限度地满足你的这一个要求。这就是英国的科学家约翰·格里宾写的科普著作：《寻找薛定谔的猫》。格里宾是一位著名的科学家和科普作家，他的著作在我国翻译出版了好几本，例如上海科技教育出版社出版的《大爆炸探秘》、《迷人的科学风采——费恩曼传》（与他的夫人合著）等等。

在《寻找薛定谔的猫》这本书中，格里宾通俗而又准确地向我们介绍了1935年“薛定谔的猫”这个最离奇的佯谬提出的原因，以及六十多年来为解决这一佯谬科学家付出的努力，最后讨论了1957年埃弗雷特的“多世界诠释”和对未来的展望。

一切都起因于爱因斯坦提出的光子说。

把光看成是一种粒子（即“光子”），可惹出了大麻烦！如果我们承认光是一种粒子，那么我们如何来解释光的衍射？要知道，光的衍射效应可是区别“光是粒子还是波”的一个关键性实验呀！但后来的实验的的确确证明了：光既是一种波，又同时是一种粒子。这个图像真是太离奇了。薛定谔的猫以及其他许多佯谬，都起源于这一矛盾而离奇的图像。为了解决这一矛盾离奇的图像，哥本哈根学派的物理学家提出了一种解释（即“几率波”的解释）：我们说光是一种波动，是指光是一种“几率波”；是指在衍射图像上光子（或者电子、原子等等）出现的几率：在衍射明条纹上发现粒子的几率大，在衍射暗条纹上发现粒子的几率小。显然，这一解释表明自然法则中存在着一种根本的随机性。爱因斯坦对这一解释很是不满，并且说了一句很有名的话：“我不相信上帝会玩掷骰子。”后来爱因斯坦还提出一个“EPR佯谬”来反驳哥本哈根的解释。但是，现在实验已经证明爱因斯坦的这一反驳失败了。

与爱因斯坦提出反驳的同时，薛定谔也提出“薛定谔的猫”这一佯谬来反对哥本哈根的解释。这一佯谬简单地说是这样的：在一个盒子里，用一个放射性原子的衰变来触发一个装有毒气的瓶子的开关，毒气可以毒死同时放在盒子里的猫。按哥本哈根学派的解释，放射性原子的衰变可以用波函数来描述；当用波函数描述不同状态的组合时（如放射性元素“衰变了”或“没有衰变”这两种状态的组合），我们称之为“波的迭加态”；在没有打开盒子时，放射性原子进入了衰变与不衰变的迭加态，由此猫也成了一只处于迭加态的猫，即又死又活、半死半活、处于地狱边缘的猫。正像哈姆雷特王子所说：“是死，还是活，这可真是一个问题。”只有当你打开盒子的时候，迭加态突然结束（在数学术语就是“坍缩（collapse）”），哈姆雷特王子的犹豫才终于结束：我们知道了猫的确定态：死，或者活。哥本哈根的几率诠释的优点是：只出现一个结果，这与我们观测到的结果相符合。但是有一个大的问题：它要求波函数突然坍缩。但物理学中没有一个公式能够描述这种坍缩。尽管如此，长期以来物理学家们出于实用主义的考虑，还是接受了哥本哈根的诠释。付出的代价是：违反了薛定谔方程。这就难怪薛定谔一直耿耿于怀了。