又被这种问题钓出来了 >"< 我来谈一下关於这类问题长期以来被误传的一种"谬误"! 这类问题常见的有两个着名的"诡论",分别是爱因斯坦的月亮,以及薛丁格的猫. 这两个都是着名的关於态塌缩的质疑.爱因斯坦问,当你不看月亮的时候,月亮就 不在那吗? 薛丁格问,当你不打开箱子时,猫会是半死不活的吗? 有时候初学量子 力学的人来问这类问题,我都会敷衍一下,告诉它们以後你们就知道答案了(因为 讲太多只是让学生更乱),但如果是老鸟来问,我通常都明白的说这两个问题问的 不对,因为这是两个误导性的问题! 或许是因为那个时代对量子力学的认识不够深刻,也或许是那个小爱跟小薛想刻 意强调塌缩过程的神秘性,所以问了两个误导性的问题. 有人问,误导在哪? 他们两个大师问的问题如果错了,难道我这乡民会对? 且听我慢慢说来,看你能否被我说服. 首先我把这问题分两部分. 1. 为什麽它们的问题充满误导性? 2. 那什麽才是正确的问题? 把这两点讲清楚之後,态塌缩其实就没这麽神秘了. // =============================================================== 先讲第一点,为什麽它们的问题充满误导性? 其实月亮说也好,猫说也罢,它们都涉 及了一种想像: 态塌缩的过程全部源於观测者的主观意志,而非客观条件. 例如,你不看月亮那月亮在哪吗? 言下之意,只要我不抬头看,月亮可能就不在那了 ,就算你抬头了,他抬头了,只要我不抬头,在我的世界里,月亮可能就不在哪. 猫说也是,我不开箱子,猫可能永远半死半活,但我开了箱子,猫可能就挂了.所以只 要我不开箱子,猫也许可以长命百岁,永远都不用死了? 上面两说,的特色都是: 将客观的物理现象和主观的观测者意志做了连结. 但是认知这件事情是主观的,我认知不代表你认知,只要我不进行认知,态塌缩在我的 世界里就不会发生,只在你的世界里才发生.这种问题合理吗? 完全不合理! 作为凸显微观到宏观过程的不了解,这两个问题都做到了,但作为诠释态塌缩,这两 个问题彻底误导了後来整整半个世纪的物理系学生. 这问题在於, 任何物理现象,包括态塌缩,都是客观现象,不是主观现象! 也就是说,态塌缩不因你认知与否而发生,塌缩了就是塌缩了,你知不知道那是你家 的事情. 所以猫死了就死了,不会因为你不开箱子他就还剩半条命. 同样的,今天是 月圆就是月圆了,不会因为你忍着不看,就把别人的月圆变成你的月缺了! //======================================================================= 那正确的问题应该是什麽? 问题的答案往往来自於另一个问题,因此要厘清这个问 题,我们得找另一个问题来回答.回答这问题的主角也很妙,不是月亮,也不是猫,而 是一只幽灵! 作为一个凝态物理学家,我比较偏好我喜欢用统计力学,用热力学来回 答各种物理问题,因为我总觉得这些现象很具体,不需要太多想像,生活处处可见. (所以之前写过一篇光速与热力学的关系的文章,有兴趣者可爬文) 这里我也用热力学来说明问题. 1871年的时候,Maxwell假想了一个幽灵,这个幽灵处在两个封闭的空腔中间,两空 腔的中间有一扇门,幽灵要做的事情就是当看到速度快的气体分子冲过来时把门 打开,让它进入另一个空腔,看到慢速分子时,则把门关上.Maxwell的美好盘算是, 这个幽灵很小,非常小,小到他做开关门这个动作所需要的能量非常低,几乎接近0, 因此开关门这个动作所做的功几乎可以忽略.所以只要给他足够长的时间,最终这 个幽灵就可以让一个房间热而另一个房间冷.热力学第二定律就此被打破了! 那 麽只要我们能造出这个幽灵,这世上将有取之不尽用之不竭的能源,多美好的故事! 然而,现实往往比想像来的残酷,这只幽灵在1950年代被IBM的Shannon给活活掐死 了! Shannon只问了一个简单的问题,幽灵怎麽判断分子的速度? 答案是它必须进 行测量!那怎麽怎测量? 方法很多,例如打个红外线测都普勒效应,例如土法炼钢, 射一堆光子过去,看光子的反射然後用肉眼估计dx/dt,方法很多,但不管用哪种方 法,你总得让某个物理系统(测量仪器)跟气体分子产生交互作用,然後透过交互作 用产生的一些物理现象来获得资讯. 然而无论你如何的改善你的实验仪器,只要有 交互作用且自发了一些物理现象,这些过程肯定是会产生熵增的. 因此即便幽灵开 门的动作不做工,不熵增,但是测量的过程总是要产生熵的,补上这些因测量而产生 的熵,最後系统总的熵还是增加的. 用热力学的语言来说,你获得的资讯叫自由能F,你输入的功叫U,两边空腔的压力 不对称会产生负熵能PV,测量过程产生的正熵能-TS,所以会有自由能的公式 F=U-TS+PV, Maxwell的问题就在於,他认为TS的产生只源於幽灵开关门的动作,只 要这个动作产生的熵能够被逼近到无穷小,那麽靠着PV不断增加,我们就有机会得 出一个"自由能F > 内能U"的荒谬结论.能源取之不尽,多好! 殊不知,TS的来源不仅仅是开关门的动作而已,还包括测量本身: "测量"指的是一种透过交互作用,产生熵增现象而获取资讯的非平衡态热力学过程! (更精确的说,是透过全域的熵增创造局域的负熵态的过程,不过负熵是另一个大主题 了,故此处略去1000字) // ==================================================================== 那麽回到月亮说跟猫说的问题上来,小爱跟小薛为什麽具有误导性? 因为他们在谈 测量这件事情的时候,都在谈观测者主观的"感知",而没谈到"感知"这件事情会伴随 着一个客观的代价,叫做"熵增"! 也就是说,你要怎麽知道死猫还是活猫? 你要测量! 测量该怎麽进行? 你得拿一个物理系统跟另一个物理系统交互作用,交互作用的结 果会产生自发的物理现象,一个自发的物理现象必然伴随着熵增,透过测量这个物理 现象,你会获得资讯.换言之 态塌缩是伴随着熵增产生的. 你永远不可能在不产生熵增的条件下产生态塌缩! 所以你不抬头看月亮那是你家的事,太阳光照在月球表面上,月球反射了太阳光到地 球来的当下,月球早就因为和太阳发射出来的光子产生交互作用,增加了熵,而已经 塌缩了!至於你要不要抬头看,那根本一点都不重要了,因为熵增是一件客观的物理 现象,你看也好,不看也罢,塌不塌缩跟你没半毛钱关系. 塌到哪,也跟你沾不上边. 只要熵是这样增加,大家看到的月亮都会一样! 如果硬要讲,你顶多也就是让飞到 你眼睛的那颗光子塌缩了,跟月亮根本没关系. 同样的我们可以用简单电子的双狭缝实验来解释复杂的,涉及宏观问题的猫态.当我 不在狭缝上装感测器(不测量猫态)时,电子是平面波,是两个狭缝的混合态(猫是死活 的混合态).当我在狭缝上装了感测器之後,电子就塌缩成左狭缝态或右狭缝态(死猫 或活猫态),干涉条纹就消失了. 请问,这个干涉条纹的消失是直到你看了那张记录条纹的底片才决定的吗? 当然也不是,当你装下感测器的当下,感测器与电子产生了交互作用,产生了熵增,态 就已经塌缩了,和你看不看那张底片根本没半毛钱关系.猫态也是,在你架好仪器测量 猫态的当下就塌缩了,你读不读data一点也不重要.因此我们真正不了解的,并不是 你读data这件事情跟塌缩有什麽关系,而是一个系统跟另一个系统复杂的交互作用 的非平衡态热力学过程如何让一个系统从混合态,慢慢的退相干变成了某个特定的 本徵态了. // ================================================================== 谈了这麽多,其实我想说的是,猫说也好,月亮说也罢,它们都是对量子力学的错误问 题.是小爱小薛在那个年代不了解问题的核心,还是因为它们想戏剧化的凸显微观到 宏观的矛盾我就不得而知. 我想强调的是,态塌缩是一个跟熵增密不可分的现象,态塌缩固然神秘,但是熵增却是 一个客观的事实.这个事实跟观测者想不想知道一点关系都没有.而是一个系统A跟另 一个系统B进行交互作用,产生熵增现象的当下就已经决定态是如何塌缩了. 所以关於态塌缩,正确的问题应该是: 究竟测量仪器跟被测量系统间的交互作用,纠缠,量子退相干的热力学过程为何? 而不该是对於"认知"与"塌缩"如何联系提出疑问.因为认知(你去读data)根本不是 导致态塌缩的原因,测量的仪器跟被测系统间的非平衡态热力学过程才是! 当然现下很多对於量子退相干的理论,真要说可能几天几夜都说不完,我不是这方面 的专家,实在也不敢多谈,但仅仅是能够指出月亮说与猫说的误导性,让初学者能够 清楚的了解到,态塌缩是个实实在在的客观物理现象,不依赖於主观观察者的意志,我 想这篇文章的目的就达到了. *BTW,如果还是有疑问的人,建议可以去看看Maddox的"科学并未终结".科普书, 里面也清楚的说明了,薛丁格猫态其实是个问不对的问题.建议有兴趣的人可 以看看. -- ★人生中最温暖的夏天是在纽约的冬天★ --

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