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量子力学与海猫世界的构造

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发表于 2009/10/03 | 编辑

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有点深，姑且是对薛定谔猫箱的一点补充。

量子力学背景

量子论(quantum theory)由量子论之父、德国物理学家马克斯・普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)在1900年始创，是用于解释微观现象的一系列自然科学理论。此后，德国物理学家阿尔伯特・爱因斯坦(Albert Einstein)和尼尔斯・玻尔(Niels Henrik David Bohr)继续推动量子论的发展，促成了20世纪物理学和其他科学的又一次革新。

其中最具代表性的量子力学(德：Quantenmechanik；英：Quantum mechanics)在20世纪20年代兴起的，用于解释经典力学所无法解释的电子与原子核之间的微观现象的物理学理论。

根据牛顿力学原理，物体在初始条件确定的情况下，物体的运动是完全可以预计的；但是牛顿力学在研究微观现象时有很大的局限性，因为原子、分子、电子等粒子的位置和运动量是无法同时测定的(海森堡测不准原理)。此外，原子、电子具有粒子和波的两重特征(波粒二相性)，根据这一性质引入“量子”这一物理概念，同时用数学方法对量子的概率分布进行计算就可以解释粒子和电磁波等的微观运动。

德国物理学家瓦尔纳・海森堡(Werner Karl Heisenberg)提出的矩阵力学和奥地利物理学家埃尔文・薛定谔(Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger)提出的波动方程式分别采用不同的数学方法来解释量子力学。

波函数与量子叠加

用量子论的方法来描述物质的体系被称为量子系统。量子系统的物理量即使在完全相同的系统中进行测定，每次得到的值也会不同。这与物理量可以给定的经典物理学有明显的差异，所以量子论转而采用物理量的概率分布来描述物质，这样一来只要系统相同，物理量测定值的概率分布就是一致的。此外，用量子系统的物理状态被称为量子状态。

波函数(Wave function)是用来表示量子状态的一种复函数。简单来说，波函数可以用来表示“物体状态的波动”。

量子叠加(Quantum superposition)是量子力学的基础原则。由于粒子的物理量在得到测定之前只能知道其概率分布，而不能得到确定的值，因此认为量子处于两种物理量叠加的状态下。假设粒子在某一时刻可能在位置A或位置B，那么可以认为它同时处在位置A和位置B，同时它的位置可用波函数表示为：

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测量问题与薛定谔的猫

量子实验中，测量前只能用波函数来表示其量子叠加状态，但是测量的实验结果却是唯一的，这样就无法构筑对应于宏观世界的理论，这一问题被称为测量问题。对测量问题加以描述的事例中最著名的莫过于薛定谔的猫(Schrödinger's cat)。

“薛定谔的猫”是由埃尔文・薛定谔在1935年提出的思想实验(thought experiment)。这一实验指出了量子力学理论与宏观事件之间的矛盾，因此又被称为“薛定谔的猫悖论”。其详细描述如下：

将一只猫关在一个钢制的密室中，并在其中放入一瓶盐酸、一个盖革计数器(用于测量放射线)、以及微量的放射性物质。放射性物质的量极小，以至于其中某个原子可能在一小时内衰变，不过它不会衰变的概率也是相同的。但是如果衰变发生了，计数器管就会放电，并通过一个绑着锤子的传动装置打破盐酸瓶杀死这只猫。将这个系统放置一个小时，如果猫仍然活着我们就可以认为原子并没有衰变。根据量子叠加原理，在测量之前，这个密室中的猫处于“死”和“活”相互叠加的状态。

这个实验中，原子状态被猫的状态所替换，而猫生存状态是不可能形成叠加的，这就使得我们可以从更加直观和宏观视野看到量子论所存在的矛盾。

量子力学的诠释

对于“薛定谔的猫”这类体现反直觉的量子现象的实验，物理学界也提出了一些理论来加以解释，其中哥本哈根诠释是被学界所普遍接受的。1927年，玻尔和海森堡在哥本哈根创立了“哥本哈根”学派，这一学派试图在实验证据的范围内对这些实验进行解释。

根据哥本哈根诠释，测量后产生的“波函数坍缩”使得被测量物体的状态由“不确定”收缩成为“唯一确定”。在这里，测量的主体并不确定，测量是否或者如何影响波函数坍缩也不可知，唯一可以确定的是通过测量可以确认波函数坍缩现象。

此外，1957年普林斯顿大学的艾维雷特(Hugh Everett)提出了多世界诠释。他认为，猫始终保持着“既生又死”的状态，但是在打开密室的那一刻，包含观测者和猫的宇宙分裂成两个：一个包含观测者和活猫，另一个包含观测者和死猫。这一诠释与哥本哈根诠释正好相反，用测量过程中量子脱散(量子在与环境交互的过程中，由于相位信息脱散而使得状态趋于唯一)代替波函数坍缩，用扩散理论代替坍缩理论。其优点是使得波函数能够运用于宏观和微观世界，缺点是必须对测量者的波函数进行计算，同时多世界的存在性无法得到证明。

不论是以上两种诠释还是之后出现的诠释都无法完美地解决测量问题，甚至无法完整地解释“测量”的含义，所以量子力学的理论体系尚不完备。

海猫世界的构造

海猫世界构造的灵感一部分来源于量子力学，作者展现给我们的世界是一个事件状态不可预测的世界。1986年的10月4日到10月5日的六轩岛上究竟发生了什么？我们并不知道。我们可以知道只有风雨过后惨剧业已发生的事实和署名为“右代宫真里亚”的日记。如果六轩岛这个封闭环境是薛定谔的猫箱，那么岛上发生的“事实经过”就是那只不知生死的猫，对于六轩岛事件真相的探明就类似于“测量问题”。

假设魔女犯案的概率是50%，人类犯案的概率也是50%；如果承认魔女使用魔法犯案，那么真相的波函数就会向“魔女犯案”坍缩，使其达到100%；反之，如果能够证明“人类犯案”，波函数会向“人类犯案”坍缩。推理过程就是一个“测量”过程，“测量”的结果就会变成唯一确定的真相。这样一来，目睹“真里亚日记”的人可能都参与了“测量”过程，但是这些测量都已经无法改变六轩岛事件，只有身在六轩岛的右代宫战人所进行的“测量”才有可能阻止悲剧发生。

此外，在推理的实战过程中，波函数坍缩也起到了重要的作用。只要忽略魔法场面的干扰，将测量结果作为推理思考的唯一依据，就可以排除一系列干扰。例如：EP2纱音的额头被刺入桩子，可以单纯地认为人类凶手手持凶器刺入她的额头。不过海猫世界中的魔幻场景并非毫无意义，其中必定包含了作案动机、角色背景等晦涩的暗示。这也从反方向提供了通过真相的线索。

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