【物理好好玩S2EP09】薛丁格的貓

文、聲音|張嘉泓
(東方IC)

「 薛丁格的貓」這麼生動的故事,的確逼著一代接著一代的物理學家,雖然緩慢,但激進而毫不妥協的仔細思考微小粒子的疊加性與糾纏性。現在這兩個觀念已經公認是科學界的明日之星,利用疊加等量子特性,物理學家正積極推動量子電腦的發展……

雖然電視廣告號稱:只有小孩才需要選擇,但你我心知肚明,人生時時必須面臨困難的決斷。在那些十字路口上,我們總是希望魚與熊掌可以兼得。然而像鋼琴家Kit Armstrong周善祥,又能作曲、又學數學,現在還是電機系博士生,實在是少之又少。不過,這種重疊的身份,有時又易如反掌。上個月的節目介紹了光與波動具有疊加的特性,所以兩個光源或聲源個別產生的波,最終會加總起來。而你在音樂會的樂聲中,同時可以聽到背後傳來惱人的竊竊私語,這就是疊加。那、我們已經知道所有自然界的物體,都是由微小的粒子、例如電子所構成,而電子又具有波性,自然是可以疊加的。那有什麼道理,由電子組成的我、不可以魚與熊掌兼得呢?

薛丁格也曾思考過這個問題。他所提出的薛丁格電子波波動方程式,奠定了微小粒子物理的基礎。但電子波若要有意義,根據實驗結果,它似乎只能描述電子現身的機率,而機率本身自然包含如擲骰子的不確定過程。薛丁格與愛因斯坦一樣,都從內心深處,拒絕接受如玩骰子的上帝、這樣存在不確定性的解釋。但到了1935年,量子物理的爭議,已公認由機率解釋完勝收場,這時薛丁格把他的挫折、質疑與憤怒,濃縮成一個非常有趣的疊加情節,一般就稱為薛丁格的貓。

一隻可愛的貓,同時是活著,又是死的

他寫道:「讓我們安排一個非常可笑的情況。將一隻貓放進一鐵箱,再放入一個啟動裝置,但要小心防止貓咪破壞它。在這裝置中置入放射性原子核,每小時原子核衰變的機率大概是一半,沒有衰變也是一半。」我先打一個岔,原子核衰變的意思,就是放射性原子核中的中子,會自發而隨機的變成質子加上一個電子與微中子。在這個過程中,放出的電子速度極快,很容易偵測,也會造成傷害,所以稱為放射性。薛丁格接著說了:「假如這原子核衰變了,裝置中測輻射的蓋格計數器會偵測到。我們再設計一個機械連結,計數器會帶動一個錘子,恰好打破一罐密封的劇毒氣體,導致貓中毒死亡。但如果沒有原子核衰變,上述的連結就沒有運作,貓就沒事。當我們把這個裝置啟動,並密封鐵箱一個小時後,根據量子科學的計算,原子核的狀態,就會是未衰變與已衰變、兩個狀態的疊加。因此整個鐵箱,就包含還活著的貓與已死去的貓、兩個狀態的疊加。」

當然基於動物保護法,我們不會真的做這樣的實驗,這只是一個想像的論證。但簡化一點説,疊加指的就是兩者同時存在。一隻可愛的貓,同時是活著,又是死的,真是驚悚,又不可思議。所以薛丁格的貓,一直以來都是反對陣營的精神指標。

基督教已經有三位一體的想法

科學家在二十世紀初發現,自然界的物質,是由數量大約一兆兆顆,大小只有兆分之一的分子、原子、電子所組成。很奇妙的,在電子、原子的世界中,互相矛盾的狀態是可以同時存在的,宛如周善祥又能感性的作曲、又懂與感性相反的理性數學,這樣的情況,物理學家把它稱為疊加,就是今天節目的主角。這是微小粒子最關鍵的奇異特性,但對波來說卻極度自然。上個月介紹了水波現象的疊加特性,就是物理學家與這個概念的初次見面。兩條船產生的漣漪可以在撞擊時加總起來,分開後又維持原來的形狀,好像什麼事都沒有發生一樣,真的是毫無牽掛的邂逅。從水波到電磁波,再推廣到電子波,物理學家發現只要夠格稱為波的現象,都具有疊加這樣的特性。去年七月節目介紹的電子劈腿現象,以波描述的電子可以又在這裡、又在那裡,就是這樣的例子。電子在這裡,與電子在那裡,是兩個彼此矛盾的狀態。但若電子是波,兩個彼此矛盾的波疊加在一起,就理所當然了。如同電子一般,放射性原子核也是用波來描述的。因此正如薛丁格所說,隨著時間流逝,描述放射性原子核的波,會演化成為兩個波的疊加,這兩個波分別對應無法相容的、衰變狀態與未衰變狀態。

所以薛丁格貓盒內的原子核,的確處於很異於尋常的狀況。但宗教與哲學似乎超前了科學一步,基督教的基本教義中,已經有三位一體的想法,聖父、聖子、聖靈,而且唯有三者同時存在,才能定義何謂唯一的上帝。哲學家黑格爾的辯證法,則利用一個概念內在的必然矛盾,於是看出正與反的衝突與力量,合而為一後才是概念的整體。但在物理科學中,能處理的概念都得是一致的,所以若不是透過波,矛盾狀態的疊加是非常難以想像的。

原子核與貓的生活,如情侶般彼此「糾纏」

薛丁格更注意到了:原子核若衰變,貓則死,若不衰變,貓才能活,貓與原子核的命運是綁在一起的。而原子核處於疊加狀態,因此,對整個實驗的完整描述應該是:衰變則貓死、加上、未衰變則貓活,於是貓也會是處於生與死的疊加。這種命運的連鎖,物理學家又發明出一個新詞,稱為糾纏性,這是今天節目的嘉賓。原子核與貓的生活,如情侶一樣,「每天漫無目的的膩在一起」、糾纏著,不願各自隨意。糾纏性這詞有一點拗口,但其實很傳神。所以,原來只有原子核有矛盾疊加,但兩人的命運聯鎖糾纏,卻把這也傳染給了貓咪,使得貓的命運也跟著不確定了。

但這不確定性是很脆弱的,如果實驗作到一半,愛貓的實驗者關切貓的情況,忍不住打開了鐵箱,那就等於對實驗做了觀測。一旦觀測,就只會有一個確定的答案。要不是原子核已衰變、貓已死,要不就是未衰變、貓還活著。痛苦的是,如果沒有去觀測,原子核就會繼續同時處於「衰變貓死,以及未衰變貓活」的狀態。看與不看,竟然有這麼大的差別。

以上的推理固然精美又驚悚,我們卻從沒有看過疊加的貓。當然世界本就充滿了命運的未知,若把一顆蔬菜種子種下去,我們並不能夠確定知道,蔬菜是否真能長得出來。但這與疊加不一樣,根據長久的生活經驗,無論是否觀測,我們都預期,種子要不長出了蔬菜,要不沒有長出來。即使命運再不可測,沒有任何一刻,種子是同時處在這兩個彼此矛盾的狀態之中。

原子核竟能隔空改變遠方貓的命運

你甚至還可以想像一個額外的設計,在鐵箱實驗開始一個小時後,不做任何觀測,就讓貓與原子核移動分開。因為還未觀察,此時貓的生死兩個狀態都還存在,疊加在一起。等到分隔老遠,原子核與貓的命運糾纏還會維持。這時再觀察原子核,如果發現還未衰變,我們就知道遠處的貓還活著,如果已衰變,遠處的貓必定已死。這是我們跨入戀情時最害怕的,分手了之後竟然還藕斷絲連、有遠距的糾纏。此處原子核的觀察,似乎如心電感應,隔空竟然能改變遠方貓的命運,這樣的情節在日常生活中應該不太可能吧。

於是,我們不禁猜想,薛丁格貓的故事並不會真的發生。關鍵是貓畢竟不是電子。貓與日常生活的事物,固然是由如電子、放射性原子核等微小粒子組成,我們想當然爾,預期兩者遵守同樣的規則、例如疊加性、糾纏性。但薛丁格的貓這個故事,反過來看,就指出了像貓這樣的東西,如果看成像電子一樣,會是非常可笑的。換言之,日常世界與它的組成成分之間,竟然存在一道,科學家事先完全沒有預料到的鴻溝。電子所處的疊加狀態,是生長的種子,以及薛丁格的貓,所不能存在的。貓是不會既死又活的。

2012年諾貝爾物理獎得主的得獎工作

聽眾可能會追根究底的問:那為什麼貓,不能如電子一樣疊加呢?最近的進展指出,電子的疊加特性,也只有在隔離之下才可以繼續維持,只要有干擾,也會消失。而貓在自然的環境中,會不斷受到外在環境大量無法控制的隨機擾動。物理學家研究發現,這樣的干擾會把疊加性抹去,回到魚與熊掌無法兼得的世界。簡言之,糾纏把原子核的疊加性傳染給了貓,但勇敢的貓咪,在環境支持下,堅強的戰勝矛盾,回歸一隻貓該有的樣子。這個過程還真的可以被實驗驗證,2012年諾貝爾物理獎得主外恩倫德David Jeffrey Wineland的得獎工作,就是以雷射光來操弄鈹離子,製造出與薛丁格的貓一樣的糾纏狀態。薛丁格的貓原來不過只是一個想像,現在可以真的在實驗室內實現了。這個在2000年完成的實驗,的確驗證了離子的疊加特性,會隨著時間而漸漸消失,而且許多定量結果都與理論預期相符。

科學家發展出這麼精細的工具,下一次就真的不需要讓貓咪冒險了。外恩倫德的工作告訴我們,如果薛丁格貓的實驗真的作了,實驗開始後,貓的確有非常非常短的時間是處於生死疊加的狀態,但很快的、環境的干擾就迫使貓離開這個狀態。這個時間短到連貓自己都沒有感覺,生死疊加這樣的概念,意義已經不大了。

原本「薛丁格的貓」只是一個異議人士的思想抗爭

但同時這個研究結果也暗示,如果不是貓,而是微小的粒子,且與環境隔離,薛丁格的劇本所描述的故事就會成真,矛盾狀態的疊加、遠距的糾纏都可以維持相當長的時間。科學家現在以兩個光子,或兩個電子來進行觀察,確認遠距糾纏真的會發生。現在的實驗已經驗證光子態的糾纏、可以維持到兩者距離1200公里,預期這個紀錄很快就會被刷新。

聽眾可能會納悶,「薛丁格的貓」這個思想實驗,對我們的生活或求知有什麼樣的推動呢?原本薛丁格的貓只是一個異議人士的思想抗爭,之後因為以機率為基礎的量子科學取得巨大成功,薛丁格的貓也有很長一段時間埋沒在歷史的灰燼之中,被大家忽略。但反對意見最大的意義,不見得在意見本身是否成立,薛丁格的貓顯然不存在,更重要的是凸顯既存主流架構中的隱藏斷層。薛丁格的貓這麼生動的故事,的確逼著一代接著一代的物理學家,雖然緩慢,但激進而毫不妥協的仔細思考微小粒子的疊加性與糾纏性。現在這兩個觀念已經公認是科學界的明日之星,利用疊加等量子特性,物理學家正積極推動量子電腦的發展,而糾纏態的維持對量子電腦更至關緊要。在運算速度上,這可是能比現在的電腦,快上一整個等級。運算速度升級,電腦扮演的角色將完全改觀,無論自動車、人工智慧,都不再是遙不可及了。量子電腦的普及雖然還是一個夢,但的確是個非常巨大的夢。所有科技大國無不卯足全力發展。所以,因為反對量子力學而提出的薛丁格之貓,反而帶出了量子力學的核心,這肯定是薛丁格當年想像不到的。

在物理的世界中,毫無功利之想、純粹以好奇為動機的抽象玄思,一而再、再而三的讓人類的文明往前移動。短視近利的鑽營,反而很快就會被歷史所遺忘。

韋伯太空望遠鏡的新進展

科學的進展有時需要如上述細火慢燉,有時卻又是一日千里。八月節目剛介紹韋伯太空望遠鏡的深空照片,八月底,韋伯又發表令人驚豔的結果。他們在一個七百光年外,大概如土星一樣大的系外行星上,發現了二氧化碳。這正是韋伯的另一個專長,但沒想到結果來得這麼快。二氧化碳一般在恆星上很稀少,因此是行星產生過程很重要的一個痕跡,而且與生命的運作極度相關。更重要的,實驗結果的清晰度,顯示韋伯將對系外行星有非常強大的觀測能力,好戲正要上場呢!讓我們拭目以待。

下一集節目我們將介紹:冷熱與群眾現象。

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