【物理好好玩S2EP09】薛丁格的貓
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。
