97、量子柴郡猫

在量子理论中有一只大名鼎鼎的猫,也就是那只半死半活的薛定谔的猫。但是量子论中还有一只猫,虽然因为它的发现较晚,没有薛定谔的猫那样出名,但同样在撕扯我们的神经,这就是法国朗之万研究所发现的量子柴郡猫。

在中子干涉实验中,中子可以从两个不同的路径到达终点,通过巧妙的设计,物理学家们可以做到,中子本体从其中一条路径通过,而其磁矩属性则从另一条路径通过,也就是说中子与其磁矩分离,分别走了两条不同的路径。

在卡罗尔的名著《爱丽丝漫游仙境》中,柴郡猫在消失时会在原地留下一张笑脸,也就是说柴郡猫与它的笑脸是可以分离的。这与中子本体和磁矩分离类似,因此这个实验被称为量子柴郡猫。

一个物体是与它的属性相关的,我们说一个物体是方形的、黑色的,重量是1千克,这些围绕物体的大量属性共同从不同的侧面描述了这个物体,因此在传统观念中,我们认为物体本身与它的属性是统一在一起的,不可分割的。这种观点似乎是天经地义的,因为我们就是这样认识世界的。但是量子柴郡猫再一次告诉我们,不能将我们的日常经验照搬到微观世界之中。

我们能够赖以相信的就是一次次测量中获得的数据,这些数据描述的是某样事物比如电子的一些属性,但是我们只观测到了这些数据,例如质量、电荷、磁矩等,从来没有观测到过粒子的本体是什么,因此粒子的本体是我们依据经验想象出来的产物,而不是一种实体。我们只是在经验中看到,物体的颜色、形状、体积、重量等等属性都聚集在一起,因此想当然的认为这些属性共同附着在一种实体上,觉得实体是本质,而这些属性只是表象而已。

可是当我们将这种经验照搬到微观领域,却发现了量子柴郡猫冲我们微笑。于是我们才发现,所谓的实体是不存在的,现实世界中只有各种属性。在宏观世界里,我们咬了一口辣椒,于是会说辣椒是辣的,而在微观的量子世界里,我们却观测不到辣椒,而只测量到辣这种感觉,辣椒这个本体反而是想象中的产物。

在中子柴郡猫实验中,与其说磁矩与本体分离了,不如说磁矩这个属性与中子位置、质量等其它属性分离了。中子这个词是由它的各种属性定义的,因此仅仅是一个概念而已。但是我们知道,本体这个概念尽管是不可观测量,却非常有用。当我们说中子时,任何科学家都能听懂,而不必啰嗦一大堆属性。

属性是可观测量,只能用来发现,而本体则是人为的创造物,是一种发明。在这里,物质的属性有了一种反客为主的姿态,原本处在核心地位的本体变成了想象中的不可观测量,而附着在本体上的属性却成了我们唯一值得相信的东西,因为这是唯一能够通过实验得到的。

本体成为了方便对属性进行联系与分类的辅助概念,为了将波长、频率、群速度、相速度、相位等概念联系起来,我们发明了“波”这样一种本体;为了联系位置、速度、路径、质量、电荷这些属性,我们引入了“质点”这种本体;同样我们将四条腿撑起一个平面,平时用来摆放食物吃饭的东西称为“桌子”。我们在日常生活中每天侃侃而谈的各种概念,很多都是这种附带各种属性的本体,而不是属性。

日常经验早已使我们熟悉了将本体与属性紧紧联系起来,甚至使我们忘记了它们重要的区别。量子柴郡猫告诉我们,同一个本体的不同属性实际上是可以分离的,这一发现显然不仅仅局限在中子的干涉实验中,如果量子柴郡猫是微观世界的一种普遍现象而不只是特例,一些现象解释起来也会变得容易许多。

波函数的广延性表明,一个粒子的位置可以并不局限在一个固定的地点,而是可以彼此分离,同时处在空间的不同地点甚至连续的分布在一个区域里,电子在双缝面前也可以同时处在两个路径上,因此路径、位置这样的属性可以在空间中彼此分离,但是每次观测电子,却只测量到一个元电荷。如果电荷分布与波函数决定的位置分布相同,得到的电磁能同样无法解释电子静止质量等问题,因此目前看来,电荷分布与位置分布是分离的且不相关的。

属性与本体的可分离现象是量子论送给我们的又一个困惑,它违背宏观世界的经验,促使我们去思考一些似乎毫无意义的问题。我们说这个足球是球形的黑白相间的,其实是不自觉的将足球的形状和颜色同它所在的位置联系起来了,但事实上,它们之间并没有联系,足球的形状及颜色属性不在任何位置,它们只是足球众多可观测属性中的一部分,它们不是以物质及能量的形式存在,而是以信息的形式存在。

足球的质量、运动速度、形状、颜色都不是足球本身,而这些属性的集合共同构成了足球这一事物,从这里我们可以看到,本体与属性之间引起混乱的根源很可能是因为它们处在不同的层次上。就像一本书中的每一个汉字或单词都不是这本书,但它们的组合却构成了这本书;每一个电子都可以随机的打在屏幕上,而大量电子的组合才共同构成了干涉条纹,使我们发现“波”这种本体。

量子柴郡猫诡异的笑容使我们不得不重视本体与属性的联系,它让我们看到,属性是具体的、可测的,而本体是抽象的、想象的,这与我们的经验恰好相反。

我们总是在不自觉的认为,在我们周围存在一个独立于自己的庞大的本体世界,大量的属性附着在这个本体之上,只要理解了这个本体,就可以获取大量的知识。可是量子柴郡猫使我们认识到,那个庞大的独立于我们的外部本体世界,只存在于我们的虚构与想象之中。