正文
薛定谔猫佯谬
:当把波函数的概念应用于宏观物体时,似乎会导致一些令人难以理解的结果。例如,薛定谔设想把一只猫、可以杀死猫的毒气装置以及可以触发该装置的放射源放在一起,如果放射源中的原子发生衰变,则会触发毒气装置,猫会被杀死,而如果没有衰变则猫会活着。在观测放射源之前,放射源处在衰变和未衰变的叠加态上,那么相应地,猫也处于“生”和“死”的线性叠加态上,只有当我们观测了放射源,确定了衰变是否发生之后,系统状态才确定下来(波包塌缩了),猫的状态也才变成确定的“活”或“死”。但是,实际上人们看到的猫要么是活的,要么是死的,很难想象这种死活叠加的状态。
(图片来源:维基百科;创作:Christian Schirm)
维格纳朋友佯谬
:维格纳指出,待测的量子系统与观测者的划分并不是唯一的。在上一例中,我们可以把放射源作为待测量子系统,猫作为观测者;或者把放射源+猫作为待测量子系统,把负责照看实验的朋友作为观测者;或者把放射源+猫+朋友作为待测系统,自己作为观测者,在这几种情况下,发生“测量”和相应的波包塌缩时刻各不相同。这表明,在哥本哈根诠释中波函数不是实体,而且并不仅仅与待测的系统有关,而是也与观测者有关。
EPR佯谬
:如果两个粒子曾发生相互作用而形成相互关联的量子态,即所谓纠缠态,那么对其中一个粒子的测量不仅导致该粒子的波包塌缩,也会导致另一个的波包瞬间塌缩,无论二者相距多远。乍看起来,这似乎违反了相对论中信息传播速度不能超过光速的原理。不过,按照哥本哈根诠释,波函数并不是实体,而也许应该被视为是观测者对系统的描述,因此不能把这种波包塌缩理解为物理信号的传递。就实验而言,对两个相互远离的纠缠系统进行测量,事后比较总是能得到一致的结果,但由于这种测量结果是随机且无法控制的,因此无法用这种测量结果传递信息。
在这些悖论中,哥本哈根解释虽能自圆其说,但是其付出的代价是,波函数不再是完全客观的存在,而是变成一种依赖于观测者的东西。美国物理学家莫珉(David Mermin) 曾这样形容这一古怪情况:在没有人看月亮时(量子测量进行之前),月亮并不存在!
另外,从理论完备性的角度看,哥本哈根诠释的一个缺点是,它需要预先假设由经典力学描述的物体(测量仪器或观测者)的存在,而不能完全从量子力学本身出发导出其一切结果,这导致其难以应用于量子宇宙学这样原则上没有“观测者”或任何经典物体的情形。
二、量子力学的多世界诠释
正是由于哥本哈根解释中存在的这些问题,埃弗里特提出了一种与哥本哈根诠释完全不同的量子力学诠释,即多世界诠释。
埃弗里特(图片来源:维基百科)
埃弗里特是惠勒(J.A. Wheeler)在普林斯顿大学的学生。惠勒一直主张从物理理论(例如量子力学的薛定谔方程)本身导出其诠释,而不附加人为的假设(例如测量导致的波包塌缩)。1954年,玻尔到普林斯顿大学演讲量子力学,引起埃弗里特的思考。他提出了一种新的量子力学诠释,主张不预先假定存在具有特殊地位(服从经典力学)的观测者或测量仪器,待测系统和仪器的整体状态可由一个普适波函数(universal wave function)描述,量子测量就是待测系统和仪器之间的相互作用,由整个系统的薛定谔方程决定,相互作用导致二者形成一种关联的(纠缠的)状态,埃弗里特将这种关系称为相对态(relative state)。