※作業備份,那時候才大二論述很不嚴謹。

 

摘要:

本文我將以哥本哈根詮釋思考薛丁格的貓對量子理論的質疑,並補充一些個人想法與現代新興的量子實驗,希望能帶出思考的新方向。

 

關鍵字:

量子理論、薛丁格的貓、哥本哈根詮釋

 

一、前言-量子理論與薛丁格的貓

  大家應該多少都聽過量子力學吧,但你們有聽過「量子理論」嗎?所謂的量子理論,是因為科技日益進步,科學上的觀測技術使人們能夠看見原子、電子等微觀世界,而科學家對這些微小粒子的研究就被稱為「量子理論」。

  量子理論幾乎顛覆了人們過去對世界的了解,為什麼呢?其中就探討量子本身究竟是以什麼方式存在的「量子本質」問題來說,科學家們想知道量子究竟是以「波」(如海浪,是一種能量)或「粒子」(如石頭,是有實體和質量的物質)的方式存在,就設計了一個名為「雙狹縫」的實驗。

  讓我們了解一下雙狹縫實驗的模樣:

  用一台機器發射出粒子(這是指發射出去的是一粒粒的量子),穿過一個上面有兩個狹窄縫隙、且縫隙僅能容許一個粒子通過的隔板,最後呈現在投影布幕上。

  一開始科學家一次射出大量的粒子,投影布幕上顯示出一個波的圖樣——粒子形成了數道線條,中間最集中,兩側對稱遞減。科學家猜測這是粒子互相干涉形成的結果,因此他們改為每次只發射一個粒子,這樣就能避免干涉現象。但最後得到的結果仍是波的圖形。這結果顯示粒子被打出機器後,竟同時通過兩個狹縫,並與自己產生干涉而以波的形式投影在布幕上。

  科學家在狹縫上裝了觀測器,試圖確定粒子真的是同時從兩個狹縫穿過,但得到的結果又在一次讓他們驚訝了:裝上觀測器後,粒子在布幕上形成兩條集中的線,赫然是以粒子的形式存在。

  換句話說,裝上觀測器後,粒子就只通過其中一個狹縫,拔掉觀測器,粒子又會同時穿過兩個狹縫。

  科學家做了很多次這個雙狹縫實驗,都得到同樣的結果。但他們不知道該如何解釋這個現象——粒子似乎會察覺到人的意識,因觀測與否產生不同的行為模式。但這樣的想法太讓人難以相信了,難道粒子也有自我意識嗎?又或者有別的變因導致這種結果呢?

  為此,奧地利的理論物理學家埃爾溫·薛丁格設計了一個思想實驗,那就是著名的薛丁格的貓。薛丁格如此描述這個實驗:

  把一隻貓關在一個封閉的容器裡,並且裝置以下儀器(要確保儀器不會被容器中的貓直接干擾):放入少量放射性物質,在一小時內,這個放射性物質發生原子衰變的機率為百分之五十,沒發生任何原子衰變的機率也同為百分之五十。 如果衰變事件發生了,容器內的毒藥罐就會被打破。經過一小時後,若沒發生衰變事件,則貓將維持存活狀態;若發生衰變事件,毒藥罐被打破,貓將隨之死亡。[3]

  但若我們不打開容器,就無法得知原子是否衰變、貓是否死亡。可以說在我們打開容器前,貓是處於既死又活的狀態。

  《世界觀》一書提出對這個實驗的更動版本,我們可以藉由以下實驗更清楚地看到薛丁格對量子理論提出的論調:

  一樣將貓關進封閉容器中,我們無法從外面看到容器內部的情形。裝上一個光子發射器,光子可能從AB通道穿過。AB通道都裝上光子偵測器,並在A偵測器裝上毒藥罐。現在發射光子,若A偵測器感測到光子,罐裡的毒藥就會釋放,貓也會因此死亡;反之,若B偵測器感測到光子,毒藥不會釋放,貓也會活得好好的。

  所以在疊加狀態下,我們打開前的容器應該同時處在「光子通過A通道-貓死了」跟「光子通過B通道-貓活著」狀態。

  薛丁格想藉由這個實驗將微觀層次的量子實驗與巨觀層次的例子做連結,並指出量子理論的怪異之處。他認為貓絕不可能同時處在活著和死亡的狀態,所以量子理論應該還有些遺漏的地方,如果能將遺漏補正,就能用更符合常識思考的方式解釋薛丁格的貓。我將在第二部份說明,並試以哥本哈根詮釋重新思考這些問題。

 

二、論述-從哥本哈根詮釋思考薛丁格的貓

  首先,我們要先知道哥本哈根詮釋是什麼。說來可能會令人感到很荒唐,哥本哈根詮釋認為,物質會以機率波的方式存在,直到意識介入才會做出選擇。舉例來說,在無人山中的一朵小花會綻放嗎?我們用常理判斷會很自然的回答:「可能會綻放,也可能會枯萎,但因為沒有人看見所以不知道結果。」可是用哥本哈根詮釋的說法,這朵小花既不會綻放也不會枯萎,而是處在一種多種結果疊加的狀態,直到有意識來到山中、看到這朵小花,花才會做出要綻放或枯萎的選擇。

  這聽起來很不可思議吧?

  用哥本哈根詮釋重新回來看雙狹縫實驗,我們無法知道量子在被觀測前究竟是位於哪裡,也無法說明它是怎麼樣的屬性——究竟是以波的型態同時存在於兩個通道呢?還是以粒子的型態同時穿越雙狹縫?再者,它是以什麼樣的方式運動?動量為何?我們都沒辦法說明——依《世界觀》一書的說法,「不只是因為我們不知道那些屬性是什麼,而是因為這些屬性在測量之前並不存在。在測量之前,根本沒有一個具有明確屬性,以及深刻獨立的實體存在。[1]」,這種說法跟我們過往的認知有非常大的不同,甚至可說違反直覺。

  以下我將用電腦遊戲——開心農場——的譬喻來理解哥本哈根詮釋:眾所皆知,開心農場是一款栽種植物的遊戲,朋友間也可以在彼此的農場互動。

  假設現在有顆種子,植入後兩小時可能長成A植物或B植物,再過兩小時後將分化成A1A2B1B2A植物只會分化成A1A2B植物只會分化成B1B2)。當兩小時到時,種子裡應長成AB植物了,但若沒有人進入我的農場,就不會有任何人知道種子是長成AB哪種。我們可以理解為:程式不會先決定植物分化成AB哪種,而是讓種子處在同時擁有AB兩種可能性的狀態。

  直到觀測者介入,例如說朋友進入了我的農場,看到種子成為A植物,那麼無論我過多久去看,A植物也不會變成B植物;同理,四小時後我不去看A植物分化的狀況,在我打開遊戲前它將以A1A2的可能性存在,而這種狀態將在我這個意識體打開遊戲,介入觀測後才做出選擇。[2]

  哥本哈根詮釋又分為三種不同的版本:溫和依賴於測量的實體、中等依賴於測量的實體,和激進依賴於測量實體。

  溫和版本對量子理論的詮釋只包括微觀世界——原子、電子、以及各種基本的元素粒子——溫和版本認為,雖然這些初級層次的量子因觀測而影響它們是否做出選擇的,但這不代表巨觀世界也是如此。且溫和版本對觀測者(測量裝置)的定義很廣泛,在薛丁格的貓的實驗中,光子偵測器、貓和打開箱子查看貓的人都是觀測者。因此溫和版本對薛丁格的貓的回應也很簡單:因為觀測者存在,所以光子會做出決定通過AB通道,故貓不會處在生與死的疊加狀態。

  中等版本則認為,既然一切都是由基本例子組成的,那理論上所有物體都可以處在疊加狀態;也就是說,量子理論的怪異現象也將在巨觀層次展現。然而中等版對測量裝置的定義跟溫和版本相同,薛丁格的貓裝置中因為存在著觀測者,光子會選擇走向,所以貓依舊不會處在生與死的疊加態。

  而激進版本呢?激進版本也認為量子理論的結果會出現在巨觀層次,但與中等版本不同的是,激進版本對測量裝置的定義非常狹義——激進版本認為,只有人類才能做真正的測量,換句話說只有人類才是觀測者,能左右量子的行動。在激進版本的詮釋中,薛丁格貓裝置內機率波的狀態將持續到人類觀測後才會崩解,在打開容器之前,貓確實會處在生與死的疊加態。

  以上就是哥本哈根詮釋對薛丁格的貓的解讀。可以說用哥本哈根詮釋的觀點來看,薛丁格貓的問題並不難解。

 

三、結論:

  在這篇文章中我先介紹量子理論與薛丁格的貓,然後說明哥本哈根詮釋,並從哥本哈根詮釋中溫和、中等、激進等三個版本回應薛丁格的貓對量子理論的質疑。在哥本哈根詮釋之下,薛丁格貓的質疑是可以得到解釋的。以下我想補充一些其他的想法。

  寫這篇文章時我腦中一直出現一個偏離主題的想法,應該算是薛丁格貓的變形。如果我們用激進版本的哥本哈根詮釋來看薛丁格的貓,即沒有人類意識介入,容器內將處於以機率波存在的疊加態,則貓將處於既生且死的狀態,那是否代表著只要人一直不觀測,貓就將永遠保持這個狀態呢?不需要飲食?不會死也不會腐爛?

  接著我想到,若激進版本的哥本哈根詮釋為真,那無論再久,我們都不會聞到貓屍腐爛的氣味(密閉容器無法看見和聽見內部),因為貓的狀態卡在「是否被毒氣毒死的選擇點」上,無法進入下個階段「是否被餓死」。

  但這個思想實驗又有幾個問題,首先是疊加態是否會隨時間做重複疊加,就像第二章節那個開心農場的例子一樣,種子植入後兩小時可能長成A植物或B植物,再過兩小時後將分化成A1A2B1B2,現在我們將時間直接拉到四小時後,無人觀測,種子是否會為了進入第二階段而先做出第一階段的選擇(例如選擇A),然後進入第二階段的疊加狀態(A1A2)呢?還是說疊加的選擇會增多,本來只有AB兩個選擇,在四小時後進入A1A2B1B2 四種選擇的疊加態?

  將這個想法套入哥本哈根的貓,假設第一階段的選擇是「光子通過AB通道,導致貓被毒死或不被毒死」,第二階段則是「一定時間後,毒死的貓屍腐爛;一定時間後,貓餓死,貓屍腐爛」。預設毒死的貓屍會比餓死的貓屍更早腐爛,更甚者我們用更多實驗推測貓大約多久會餓死,還有毒死的貓屍跟餓死的貓屍約多久後會腐爛等數據。假設毒死的貓屍腐爛發臭的估計時間為甲,餓死的貓屍腐爛發臭的時間點為乙。若在甲時間聞到腐臭味則可推測貓被毒死,乙時間聞到則代表貓被餓死。甚至可以說一定時間後機率波會跳過第一階段進入第二階段做出選擇;若疊加態會卡在第一階段,那就不會傳出腐臭。

  第二個問題,嗅覺也是種觀測嗎?但在這種狀況下,必須要狀態先存在才能用嗅覺進行感官觀測吧?如果貓沒散發出臭味又怎麼能用嗅覺觀測呢?

  但我接著又想到這個實驗很大一個盲點,也可能是這世界其實是用溫和或中等版本的哥本哈根詮釋在運作的,貓和光子偵測器都可以是觀測裝置,那麼貓還是會被毒死或餓死,並沒辦法藉這個實驗得知世界究竟是不是以激進版本的哥本哈根詮釋存在,更難以說明階段問題。所以這個實驗並沒有意義。

  另外,我從現代新興的一些量子實驗看薛丁格貓的問題,例如物學家惠勒的延遲選擇實驗。薛丁格貓中疊加態是由什麼時候開始的呢?觀測者介入後做出選擇的時機又是什麼?延遲選擇實驗告訴我們,就算光子用機率波的型態同時通過兩個通道後,在未達到結果前做觀測,光子竟會回溯到通道前,重新做出選擇。

  這些實驗都讓量子理論變得更加弔詭,但卻能以更多不同的角度重新思考薛丁格貓的問題。

 

五、參考資料:

[1]摘自《世界觀》P.300

[2]這段改寫自華梵哲學冀劍制教授上課提出的譬喻。

[3] 這段改寫自《世界觀》P.297

摘要:

 

本文我將以哥本哈根詮釋思考薛丁格的貓對量子理論的質疑,並補充一些個人想法與現代新興的量子實驗,希望能帶出思考的新方向。

 

關鍵字:

 

量子理論、薛丁格的貓、哥本哈根詮釋

 

一、前言-量子理論與薛丁格的貓

 

  大家應該多少都聽過量子力學吧,但你們有聽過「量子理論」嗎?所謂的量子理論,是因為科技日益進步,科學上的觀測技術使人們能夠看見原子、電子等微觀世界,而科學家對這些微小粒子的研究就被稱為「量子理論」。

 

  量子理論幾乎顛覆了人們過去對世界的了解,為什麼呢?其中就探討量子本身究竟是以什麼方式存在的「量子本質」問題來說,科學家們想知道量子究竟是以「波」(如海浪,是一種能量)或「粒子」(如石頭,是有實體和質量的物質)的方式存在,就設計了一個名為「雙狹縫」的實驗。

 

  讓我們了解一下雙狹縫實驗的模樣:

 

  用一台機器發射出粒子(這是指發射出去的是一粒粒的量子),穿過一個上面有兩個狹窄縫隙、且縫隙僅能容許一個粒子通過的隔板,最後呈現在投影布幕上。

 

  一開始科學家一次射出大量的粒子,投影布幕上顯示出一個波的圖樣——粒子形成了數道線條,中間最集中,兩側對稱遞減。科學家猜測這是粒子互相干涉形成的結果,因此他們改為每次只發射一個粒子,這樣就能避免干涉現象。但最後得到的結果仍是波的圖形。這結果顯示粒子被打出機器後,竟同時通過兩個狹縫,並與自己產生干涉而以波的形式投影在布幕上。

 

  科學家在狹縫上裝了觀測器,試圖確定粒子真的是同時從兩個狹縫穿過,但得到的結果又在一次讓他們驚訝了:裝上觀測器後,粒子在布幕上形成兩條集中的線,赫然是以粒子的形式存在。

 

  換句話說,裝上觀測器後,粒子就只通過其中一個狹縫,拔掉觀測器,粒子又會同時穿過兩個狹縫。

 

  科學家做了很多次這個雙狹縫實驗,都得到同樣的結果。但他們不知道該如何解釋這個現象——粒子似乎會察覺到人的意識,因觀測與否產生不同的行為模式。但這樣的想法太讓人難以相信了,難道粒子也有自我意識嗎?又或者有別的變因導致這種結果呢?

 

  為此,奧地利的理論物理學家埃爾溫·薛丁格設計了一個思想實驗,那就是著名的薛丁格的貓。薛丁格如此描述這個實驗:

 

  把一隻貓關在一個封閉的容器裡,並且裝置以下儀器(要確保儀器不會被容器中的貓直接干擾):放入少量放射性物質,在一小時內,這個放射性物質發生原子衰變的機率為百分之五十,沒發生任何原子衰變的機率也同為百分之五十。 如果衰變事件發生了,容器內的毒藥罐就會被打破。經過一小時後,若沒發生衰變事件,則貓將維持存活狀態;若發生衰變事件,毒藥罐被打破,貓將隨之死亡。[3]

 

  但若我們不打開容器,就無法得知原子是否衰變、貓是否死亡。可以說在我們打開容器前,貓是處於既死又活的狀態。

 

  《世界觀》一書提出對這個實驗的更動版本,我們可以藉由以下實驗更清楚地看到薛丁格對量子理論提出的論調:

 

  一樣將貓關進封閉容器中,我們無法從外面看到容器內部的情形。裝上一個光子發射器,光子可能從AB通道穿過。AB通道都裝上光子偵測器,並在A偵測器裝上毒藥罐。現在發射光子,若A偵測器感測到光子,罐裡的毒藥就會釋放,貓也會因此死亡;反之,若B偵測器感測到光子,毒藥不會釋放,貓也會活得好好的。

 

  所以在疊加狀態下,我們打開前的容器應該同時處在「光子通過A通道-貓死了」跟「光子通過B通道-貓活著」狀態。

 

  薛丁格想藉由這個實驗將微觀層次的量子實驗與巨觀層次的例子做連結,並指出量子理論的怪異之處。他認為貓絕不可能同時處在活著和死亡的狀態,所以量子理論應該還有些遺漏的地方,如果能將遺漏補正,就能用更符合常識思考的方式解釋薛丁格的貓。我將在第二部份說明,並試以哥本哈根詮釋重新思考這些問題。

 

二、論述-從哥本哈根詮釋思考薛丁格的貓

 

  首先,我們要先知道哥本哈根詮釋是什麼。說來可能會令人感到很荒唐,哥本哈根詮釋認為,物質會以機率波的方式存在,直到意識介入才會做出選擇。舉例來說,在無人山中的一朵小花會綻放嗎?我們用常理判斷會很自然的回答:「可能會綻放,也可能會枯萎,但因為沒有人看見所以不知道結果。」可是用哥本哈根詮釋的說法,這朵小花既不會綻放也不會枯萎,而是處在一種多種結果疊加的狀態,直到有意識來到山中、看到這朵小花,花才會做出要綻放或枯萎的選擇。

 

  這聽起來很不可思議吧?

 

  用哥本哈根詮釋重新回來看雙狹縫實驗,我們無法知道量子在被觀測前究竟是位於哪裡,也無法說明它是怎麼樣的屬性——究竟是以波的型態同時存在於兩個通道呢?還是以粒子的型態同時穿越雙狹縫?再者,它是以什麼樣的方式運動?動量為何?我們都沒辦法說明——依《世界觀》一書的說法,「不只是因為我們不知道那些屬性是什麼,而是因為這些屬性在測量之前並不存在。在測量之前,根本沒有一個具有明確屬性,以及深刻獨立的實體存在。[1]」,這種說法跟我們過往的認知有非常大的不同,甚至可說違反直覺。

 

  以下我將用電腦遊戲——開心農場——的譬喻來理解哥本哈根詮釋:眾所皆知,開心農場是一款栽種植物的遊戲,朋友間也可以在彼此的農場互動。

 

  假設現在有顆種子,植入後兩小時可能長成A植物或B植物,再過兩小時後將分化成A1A2B1B2A植物只會分化成A1A2B植物只會分化成B1B2)。當兩小時到時,種子裡應長成AB植物了,但若沒有人進入我的農場,就不會有任何人知道種子是長成AB哪種。我們可以理解為:程式不會先決定植物分化成AB哪種,而是讓種子處在同時擁有AB兩種可能性的狀態。

 

  直到觀測者介入,例如說朋友進入了我的農場,看到種子成為A植物,那麼無論我過多久去看,A植物也不會變成B植物;同理,四小時後我不去看A植物分化的狀況,在我打開遊戲前它將以A1A2的可能性存在,而這種狀態將在我這個意識體打開遊戲,介入觀測後才做出選擇。[2]

 

  哥本哈根詮釋又分為三種不同的版本:溫和依賴於測量的實體、中等依賴於測量的實體,和激進依賴於測量實體。

 

  溫和版本對量子理論的詮釋只包括微觀世界——原子、電子、以及各種基本的元素粒子——溫和版本認為,雖然這些初級層次的量子因觀測而影響它們是否做出選擇的,但這不代表巨觀世界也是如此。且溫和版本對觀測者(測量裝置)的定義很廣泛,在薛丁格的貓的實驗中,光子偵測器、貓和打開箱子查看貓的人都是觀測者。因此溫和版本對薛丁格的貓的回應也很簡單:因為觀測者存在,所以光子會做出決定通過AB通道,故貓不會處在生與死的疊加狀態。

 

  中等版本則認為,既然一切都是由基本例子組成的,那理論上所有物體都可以處在疊加狀態;也就是說,量子理論的怪異現象也將在巨觀層次展現。然而中等版對測量裝置的定義跟溫和版本相同,薛丁格的貓裝置中因為存在著觀測者,光子會選擇走向,所以貓依舊不會處在生與死的疊加態。

 

  而激進版本呢?激進版本也認為量子理論的結果會出現在巨觀層次,但與中等版本不同的是,激進版本對測量裝置的定義非常狹義——激進版本認為,只有人類才能做真正的測量,換句話說只有人類才是觀測者,能左右量子的行動。在激進版本的詮釋中,薛丁格貓裝置內機率波的狀態將持續到人類觀測後才會崩解,在打開容器之前,貓確實會處在生與死的疊加態。

 

  以上就是哥本哈根詮釋對薛丁格的貓的解讀。可以說用哥本哈根詮釋的觀點來看,薛丁格貓的問題並不難解。

 

三、結論:

 

  在這篇文章中我先介紹量子理論與薛丁格的貓,然後說明哥本哈根詮釋,並從哥本哈根詮釋中溫和、中等、激進等三個版本回應薛丁格的貓對量子理論的質疑。在哥本哈根詮釋之下,薛丁格貓的質疑是可以得到解釋的。以下我想補充一些其他的想法。

 

  寫這篇文章時我腦中一直出現一個偏離主題的想法,應該算是薛丁格貓的變形。如果我們用激進版本的哥本哈根詮釋來看薛丁格的貓,即沒有人類意識介入,容器內將處於以機率波存在的疊加態,則貓將處於既生且死的狀態,那是否代表著只要人一直不觀測,貓就將永遠保持這個狀態呢?不需要飲食?不會死也不會腐爛?

 

  接著我想到,若激進版本的哥本哈根詮釋為真,那無論再久,我們都不會聞到貓屍腐爛的氣味(密閉容器無法看見和聽見內部),因為貓的狀態卡在「是否被毒氣毒死的選擇點」上,無法進入下個階段「是否被餓死」。

 

  但這個思想實驗又有幾個問題,首先是疊加態是否會隨時間做重複疊加,就像第二章節那個開心農場的例子一樣,種子植入後兩小時可能長成A植物或B植物,再過兩小時後將分化成A1A2B1B2,現在我們將時間直接拉到四小時後,無人觀測,種子是否會為了進入第二階段而先做出第一階段的選擇(例如選擇A),然後進入第二階段的疊加狀態(A1A2)呢?還是說疊加的選擇會增多,本來只有AB兩個選擇,在四小時後進入A1A2B1B2 四種選擇的疊加態?

 

  將這個想法套入哥本哈根的貓,假設第一階段的選擇是「光子通過AB通道,導致貓被毒死或不被毒死」,第二階段則是「一定時間後,毒死的貓屍腐爛;一定時間後,貓餓死,貓屍腐爛」。預設毒死的貓屍會比餓死的貓屍更早腐爛,更甚者我們用更多實驗推測貓大約多久會餓死,還有毒死的貓屍跟餓死的貓屍約多久後會腐爛等數據。假設毒死的貓屍腐爛發臭的估計時間為甲,餓死的貓屍腐爛發臭的時間點為乙。若在甲時間聞到腐臭味則可推測貓被毒死,乙時間聞到則代表貓被餓死。甚至可以說一定時間後機率波會跳過第一階段進入第二階段做出選擇;若疊加態會卡在第一階段,那就不會傳出腐臭。

 

  第二個問題,嗅覺也是種觀測嗎?但在這種狀況下,必須要狀態先存在才能用嗅覺進行感官觀測吧?如果貓沒散發出臭味又怎麼能用嗅覺觀測呢?

 

  但我接著又想到這個實驗很大一個盲點,也可能是這世界其實是用溫和或中等版本的哥本哈根詮釋在運作的,貓和光子偵測器都可以是觀測裝置,那麼貓還是會被毒死或餓死,並沒辦法藉這個實驗得知世界究竟是不是以激進版本的哥本哈根詮釋存在,更難以說明階段問題。所以這個實驗並沒有意義。

 

  另外,我從現代新興的一些量子實驗看薛丁格貓的問題,例如物學家惠勒的延遲選擇實驗。薛丁格貓中疊加態是由什麼時候開始的呢?觀測者介入後做出選擇的時機又是什麼?延遲選擇實驗告訴我們,就算光子用機率波的型態同時通過兩個通道後,在未達到結果前做觀測,光子竟會回溯到通道前,重新做出選擇。

 

  這些實驗都讓量子理論變得更加弔詭,但卻能以更多不同的角度重新思考薛丁格貓的問題。

 

五、參考資料:

 

[1]摘自《世界觀》P.300

[2]這段改寫自華梵哲學冀劍制教授上課提出的譬喻。

[3] 這段改寫自《世界觀》P.297

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