互动科普

牛顿力学的决定论和量子力学的非决定论

按照牛顿力学的世界观，我们周围各种各样物体的运动都符合决定论，因而认为未来已经被决定的观点成立。可是，在由量子力学描述的微观世界中，粒子的运动符合非决定论，因而未来没有被决定。

我们知道，从苹果到行星，所有这些物体全都是由原子构成的。原子又可以进一步细分为“夸克”和“电子”，而夸克和电子却是由量子力学描述的一种非决定论存在（甚至原子也具有量子力学所描述的性质）。

于是这里就有一个很大的疑问。苹果一类物体为什么会按照决定论运动呢？苹果是由大量按照非决定论运动的微观粒子聚集而成的集合体，按理说，苹果难道不是也应该按照非决定论运动吗？

其实，在对量子力学的发展做出过重大贡献的那些物理学家中早就在争论这个问题。在接下来就来介绍这个矛盾。

图1. 决定论还是非决定论？

苹果遵循牛顿力学按照决定论运动，可是组成苹果的粒子却是一种非决定论的存在。由非决定论的粒子聚集起来的集合体为什么竟然是按照决定论运动呢？

在微观世界的是非决定论现象是否表明量子力学还不完善

创立“相对论”的阿尔伯特·爱因斯坦（1879〜1955）对于量子力学的发展也做出过重大贡献。然而，他终其一生都坚持认为“在量子力学中引入不确定性（概率）表明量子力学还不完善”。爱因斯坦说过一句著名的话“上帝不掷骰子”，表明他坚信完善的物理理论（即这个世界的基本原理）应该是决定论的。

也是量子力学创立者之一的埃尔温·薛定谔（1887〜1961）也讨厌在量子力学中引入概率。他构想出有一只奇妙的猫出场的假想实验来说明他对于引入概率来诠释量子力学的质疑。他的这个假想实验非常有名，后来被称为“薛定谔猫”实验，其内容如下。

有一只看不见内部情况的箱子，其中放有少量放射性物质、一台放射线检测器、一小瓶毒药，还有一只猫。从放射性物质发出的放射线会被检测器检测到，触发联动机关带动铁锤敲碎小瓶。敲碎的小瓶释放出毒药就会杀死那只猫。在这样的实验安排下，那只猫是生是死取决于放射性物质是否发出放射线。

我们知道，放射线是放射性物质中的原子核发生衰变时释放出来的，而原子核衰变则是受量子力学支配的一种现象。如此前所介绍的，按照量子力学，在被观测到以前，电子的位置并没有被决定在特定的某一点。与此相同，原子核的状态在打开箱子查看以前也没有被决定，不能确定原子核是处在没有衰变的状态还是处在已经衰变的状态。

在这样一种情况下，箱子里的那只猫又会如何呢？原子核究竟处在没有衰变的状态还是处在已经衰变的状态没有决定，在这个假想实验中，就等于说箱子里的那只猫究竟处在生的状态还是处在死的状态是不确定的。然而我们无法想象在现实中真的会存在生死不定的猫一类事物。

究竟应该如何来解决这个矛盾，至今也还没有谁都能够接受的一种令人满意的解决方案。

图2. 难道会有生的状态和死的状态重合在一起的猫？

这里图解表现了“薛定谔猫”假想实验的内容。左下角的放射性物质按照量子力学以某种概率发出放射线。比如说，放射性物质的原子核在1分钟内将会有50%的概率发生衰变而发出放射线。检测器检测到放射线，导致毒药逸出，使猫死亡。在没有进行观测的阶段（看不见箱子内部），箱子内处在有放射线发出的状态还是没有放射线发出的状态应该是不确定的，因而那只猫究竟处在生的状态还是死的状态也应该是不确定的。薛定谔认为，无法想象现实中会有这样的猫（因此量子力学的理解不完善）。

（本文发表于《科学世界》2011年第6期）