让公众理解科学

张兴 的博客  2013-01-11

网上看到上海科协发起主办的“解读科学诺贝尔奖”科普报告会，颇有新意。首场诺贝尔物理学奖科普报告会是从量子力学那只薛定谔猫讲起，对2012年诺贝尔物理学奖进行了解读。

量子世界有很多奇异的特征在常识看来是难以理解的，薛定谔猫这个上世纪30年代构想出来的思想实验，被后人引为解释量子世界的经典。一只猫被关在黑箱子里，它的生死取决于箱子里一个独立放射性原子的状态，如果原子衰变，则引发箱内毒气泄漏，猫死；反之，猫活。箱内原子发生衰变的概率是50%，量子理论认为，单个原子的状态并非“非此即彼”，或者说，箱子里的原子处于既衰变又没有衰变的状态，对应到猫，则是既活又不活。

按哥本哈根学派的说法，在没有实际观测之前，原子处于各种可能状态的叠加，这决定了猫同样处于活与不活的叠加态，只有打开箱子的一瞬间，才确切知道原子的状态和猫的死活，此时猫的波函数由叠加态塌缩到一个本征态。这与日常经验严重不符，在宏观世界里，即时不打开箱子，猫也只能是或死或活。

量子世界的这一特征，被解释为观测主体的行为决定观测结果。譬如，观测电子要用一定频率的光，光照射电子必然会改变电子的状态，如果要减少光对电子的干扰，就必须减少光的能量，这样又增大了光的波长，由于波的衍射现象，又模糊了对电子的观测。法国物理学家塞尔日.阿罗什（Serge Haroche）美国物理学家戴维.维因兰德（David Wineland）的研究成果，颠覆了量子理论的这样一种观念：除非进行观测，否则一切都是不真实的。

阿罗什和维因兰德因为粒子控制研究荣获2012年诺贝尔物理学奖，实现了在不破坏粒子的前提下对其直接观测，通过巧妙的实验方法完成了对粒子的计算和控制，告诉人们，不必损毁粒子个体就可以直接观测它们，在不必打开箱子时，就可以知道猫的死活。

两位物理学家的研究成果非同小可，在哲学意义上，它质疑了哥本哈根学派的量子解释：观测主体与观测对象不可分割，又回归到爱因斯坦的信念：存在一个独立于观测主体的外部世界；在应用前景上，它为建造超快量子计算机和极端精准时钟奠定了基础，提高了对外部世界的认识和控制能力。