標題：玻爾、仁科芳雄：為不可思議的量子力學做出傑出貢獻

HΨ=EΨ

貓變成了殭屍？

讓我們來做一個思想實驗。

有一隻貓沉沉地睡在巨大的玻璃箱中，。箱中有一個灌滿了毒氣的瓶子。瓶子上有蓋，但如果貓不小心將瓶子打翻了，瓶蓋就會鬆開落下。毒氣一旦洩露，凡是有生命的物體都會死。

接下來，在玻璃箱上罩上一塊巨大的黑布，使得外界無法看見箱內的情形。六小時後再取下黑布。

那麼，請回答問題。在這六個小時內，貓究竟是活著呢，還是已經死了？

貓究竟會不會不小心將灌有毒氣的瓶子碰倒呢？還是說，它會一直香甜地睡著，活到最後呢？你的回答是哪一種呢？

我彷彿聽到有讀者回答：“這我怎麼可能知道啊！”

那麼，我再增加一個條件。

假設6個小時後將黑布取下時，貓很遺憾的已經死了，那麼當出現這種結果，取下黑布之前的6個小時內，貓究竟是活著呢？還是已經死了呢？

恐怕，大家會回答：“應該是在什麼時候把毒氣瓶碰倒死掉了吧。” 這是一般人的想法。

但令人驚訝的是。有一些人卻反駁稱：“這種說法不正確。”這些人是研究量子力學的科學家。他們對於這一問題，做出了回答：“貓是否死了，是在取下黑布、觀察箱內情況時才能明白的事情。在那之前，一切都是機率問題。貓同時處於活著的狀態和死掉的狀態。”

大膽而言，他們認為“貓在被觀察之前處於殭屍狀態”。

所謂的異想天開說的正是他們。在觀察的時候貓已經死了，說明它是在六個小時之內的某個時間點死掉的。反過來說，如果沒有觀察，那麼貓就會同時處於活著的狀態和死掉的狀態並一直持續下去。

正常人恐怕都會驚呼。：“這怎麼可能！”實際上確實也有人這麼反駁過。這個人就是愛因斯坦。他說：“上帝不會擲骰子。”他認為即便不去觀察貓的狀態，也定然會存在劃分貓生於與死狀態的某個時間點。

這個思想實驗是由埃爾溫·薛定諤提出的，被稱作“薛定諤的貓”。20世紀30年代之後，物理學領域發生過一次巨大的爭論。站在爭論風口浪尖上的，是愛因斯坦以及創立了量子力學這一全新物理學領域的尼爾斯·玻爾。他們二人間發生了多次激烈爭論，直到今天，兩人間的爭論仍然沒有結果。

但量子力學卻在現實生活中發揮了極大的作用。把貓變成殭屍的量子力學理論在某種意義上確實是正確的。研究宇宙的宇宙學也能夠利用量子力學解釋許多現象。

量子力學確實是非常不可思議的，但也確實是正確的。當今的物理學界，並存著愛因斯坦相對論與玻爾的量子力學兩大勢如水火的理論，這兩種理論作為物理學的兩大支柱，支配著物理理論研究。

但這兩個理論卻像是油和水一樣互不相容。就算退一百步來講也是無法融合起來的。我們需要一個全新的理論來將二者結合起來，但至今為止尚未得出結論。這兩大理論的完成度就是如此之高。

接下來，我將介紹“量子力學之父”物理學家玻爾，以及他最器重的日本科學家。這兩位雖然不如愛因斯坦那麼有名，但毫無疑問，他們二人的研究為當今的物理學撐起了一片天。

異想天開的“哥本哈根詮釋”

尼爾斯·玻爾這位天才於1885年出生在丹麥。

他大學時的專業是物理學。在校學習時，被某位年長學者的假說所吸引。那就是德國物理學家馬克斯·普朗克於1900年提出的“量子假說”。

“量子”是物理量的最小單位。簡單說來就是比原子更小的物質，電子就是其中一種。普朗克主張，應當把量子“與其他物質區分開來考慮”。這是因為，在量子的世界裡“物質”與“狀態”之間是無法分辨出來的。

例如說，在海邊我們能看到海浪拍岸，海浪這種狀態是由水這種物質構成的。但在原子內，沒有比原子更大的物質，在沒有類似水的物質(粒子性)的情況下，卻能夠出現類似海浪的狀態(波動性)。這種既具有粒子性、又具有波動性的物質被稱作“量子”。

量子的最大特徵，是它會有著同大於原子的物質相異的“舉動”。在這個極為微小的世界裡進行研究，讓玻爾預感到，一條新的物理學道路即將開啟。

1921年，玻爾在哥本哈根設立了理論物理學研究所，號召“請想要挑戰未知的年輕人們來哥本哈根”。

在響應號召的年輕人當中，就有日本物理學家仁科芳雄的身影。他培育出了日後的諾貝爾獎得主湯川秀樹與朝永振一郎。湯川和朝永所研究的，正是仁科帶回日本、傾力宣傳的量子力學。

玻爾於20世紀20年代開始在哥本哈根研究新的物理學。遺憾的是，當時的技術水平並不足以觀察到原子的內部。簡單來說，即便有理論支撐，也無法進行實驗或是測量。

哥本哈根詮釋：當我眺望月亮，確認月亮確實懸於天上，月亮才是真實存在的。

這句話聽起來像是什麼哲學或是宗教的表達，但這確實是科學。

玻爾等人認為，量子的世界在被觀察到為止，是處於多個相互疊加的狀態中的，就像是上文提到的貓一樣。

反過來說，同時具有粒子性和波動性的量子只有在被觀測時它的狀態才能確定，在那之前究竟處於何種狀態只能用機率來表示。

量子是構築起原子的物質，可以說是它支撐起了世間萬物。如此一來，月亮和貓也是在被觀測到的瞬間才會被確定下來，才是存在的。這是玻爾等人的主張。

當然，這一詮釋在物理學界引起了軒然大波，最終被人們稱作“觀測問題”。大家各抒己見，暢所欲言，一發不可收拾。

創造了“存在”的“函式”Ψ

這時，出現了一位天才，一舉打破了僵局。他就是埃爾溫·薛定諤。他雖然不認同玻爾等人這種機率論式的思維方式，但卻發現了量子力學上新的可能性，並於1926年發表了“薛定諤方程”。

這實在是一個極為不可思議，又極為優美的公式。

我非常喜歡這個Ψ，習慣把它叫作“Ψ同學”。那麼，Ψ同學究竟是誰呢?它正是創造了“存在”的函式。想要解釋量子力學，最好還是簡單介紹一下Ψ同學。那就先把玻爾放在一旁，讓我來為大家講一講Ψ同學的故事。

首先，需要簡單介紹一下Ψ同學的情況。請看下圖。

請大家注意，Ψ同學沒有姓氏。因為它沒有父母，也就沒有可以繼承的姓氏。總而言之，它就是“創造存在”的存在，因此也不可能有比它還早出現的所謂“父母”了。

接下來，請大家注意它的職業。Ψ同學從事建築行業的相關工作。它所建設的事物是“存在”。我能夠存在，你能夠存在，都是多虧了Ψ同學。

它的特長是疊加，能夠將複數可能性完美疊加起來。

它的性格很怕寂寞，非常害羞，但自我表現欲又很強，希望獲得關注，總是想要跟別人搭話。

它還有一個壞習慣，總是喜歡抖腿。

“Ψ同學”究竟發揮著什麼作用呢?

讓我來介紹一下Ψ同學的其中一項工作。比如說，你現在捧在手中的這本書，實際上就是由Ψ同學製作的。你看到的這一頁，也是剛剛由Ψ同學製作的。在你將這一頁翻過的瞬間，Ψ同學會將下一頁製作出來。

這本書從物質層面來講，是由印刷廠製作的。但書的“存在”，卻是在你看到它的瞬間，Ψ同學以迅雷不及掩耳之勢製作出來的。

請你回想一下方才提及的關於貓的思想實驗。從量子力學的角度考慮，就是有50%機率活著的貓，和有50%機率死掉的貓相互疊加的狀態。這就是ψ同學的特長，疊加。

然而貓一旦被觀測，它的狀態就會確定為其中之一。Ψ同學是非常怕生、害羞的，總是會立刻躲起來。這些情況可以歸納為下頁所示的公式。

活著的Ψ同學和死掉的Ψ同學，在加法運算中是同時存在的。在觀測時，會確定為其中一種情況。這種現象被稱作“波束塌縮”。量子力學認為，在觀測時一定會發生波束的塌縮。

為什麼Ψ同學在被觀測時，一定會確定為五五開的機率之中的某一種可能性呢?

歸根究底，為何Ψ同學在被人觀測的時候，會採取這樣的行動呢?如果它害怕寂寞的話，在被人關注時難道不應該是興高采烈地去工作嗎?

——事情似乎並沒有這麼簡單。

從波動方程公佈之日起，關於Ψ的爭論就從來沒有停止過。“Ψ究竟是什麼?”許多學者們為此爭辯得口沫橫飛，並且進行了反覆的思考，迄今這個問題也沒有得到解答。

量子力學是尚未完成的學說，是現在進行時的學說。但誠如我方才所說的那樣，量子力學的理論在現實世界中，能夠發揮巨大的作用。

愛因斯坦對此斷然否定

匯聚於哥本哈根的量子力學研究者們以玻爾為中心，腳踏實地地搭建起了理論基礎。但愛因斯坦卻對量子力學保持著堅決否定的態度。他認為“上帝不會擲骰子”“哥本哈根詮釋是不可理喻的”。

“宇宙不是由機率組成的，宇宙的真實性是與我無關、獨立存在的。”愛因斯坦是如此強烈地向玻爾抗議的。

雙方的觀念自始至終都保持著平行狀態。因為無法進行實驗，因此也無法驗證究竟哪一方才是正確的。愛因斯坦直到去世都堅持自己的想法。這恐怕就是他認識世界的觀點吧。

在這裡，我想再講一個關於愛因斯坦自然觀的故事。這是他與亞洲第一位諾貝爾文學獎獲得者、印度詩人、思想家拉賓德拉納特·泰戈爾(1861~1941)之間的對話。

愛因斯坦：即便是在日常生活中，也存在著許多獨立於我們的事物。它們真實存在於我們的精神之外，與我們毫無關聯地存在著。即便這間房子中空無一人，這些桌子、椅子也仍舊存在於這裡。

泰戈爾：確實如此。桌子存在於個人的精神之外，卻並非存在於所有人的精神之外。桌子因為我們共同的意識而被認知。桌子看起來是客觀的，科學能夠證明這不過是一種現象。也就是說，人們看作是桌子的事物，如果人類的意識不存在，它也就不存在了。

[日]NHK愛因斯坦·計劃著《NHK愛因斯坦浪漫3》

大家怎麼看呢?愛因斯坦所認為的“不可理喻”，我一開始也是贊同的。許多學習物理學的學生在一開始接觸到愛因斯坦與玻爾的爭論時，通常也都會贊同愛因斯坦的說法。

但隨著學習的逐漸深入，我們會開始認為“看來還是玻爾說的是正確的”，“確實是啊。畢竟現在量子力學還成功地讓電子技術發展得這麼高超了……”

愛因斯是完全掌握了量子力學的。玻爾也是完全理解了相對論的。他們二人分別對彼此提出了最本質的問題。他們的觀點雖然是對立的，但他們二人卻並非是敵對的。他們都深深地愛著物理學這門科學。

預言了未來的“EPR悖論”

再為大家介紹愛因斯坦向玻爾提出的另一個難題吧。愛因斯坦的質疑觸及了問題的本質，同時也對未來世界的走向做出了預言。

這個難題就是“EPR悖論”，由提出者愛因斯坦、波多爾斯基、羅森名字的首字母組成。

簡而言之，它是一個批判。批判“資訊的傳輸不可能超越光速，實現類似心電感應一樣的瞬間傳輸”。

依據量子力學的理論，當一束光分為兩束射出時，只要觀測其中一束，另外一束光的狀態也會被確定。

如果能利用資訊科技在這束光中搭載資訊，我們就能夠實現從A地瞬間傳送資訊到B地，只需要一瞬。更準確地說，是同時。量子力學認為，在這種情況下資訊傳遞的速度會遠遠高於光纖，並且能夠瞬間傳遞大容量的資料。

愛因斯坦指出：“用超越光速的速度傳遞資訊是不可能的。心電感應真的存在嗎?是不可能存在的。量子力學是不完備的理論。”

愛因斯坦懇切地將自己的想法傾訴給玻爾。而玻爾也真誠地接受了他的意見。玻爾恐怕正是在同愛因斯坦交換意見的過程中，對量子力學進行了更加深入的思考，推動了量子力學的發展。

然而，“EPR悖論”也是無法進行實驗的，兩人之間的意見隔閡並沒有消失。玻爾只能辯稱“就是會這樣”，愛因斯坦則主張“不，不可能會這樣”。

而在這場論爭過去七十多年後的現在，事情終於有了定論。隨著技術的進步，實驗終於可以實行了。

1993年：IBM的C·H·班尼特提出了量子隱形傳態的原理。

1997年：安東·蔡林格等人做出了證明。終於成功實現了光子的瞬間移動。

開始開發量子隱形傳態技術。

愛因斯坦曾經認為“不可能實現”的事情，已經被實驗證明了。時代逐漸走在了科幻作品的前面。

因為量子隱形傳態的成功，量子力學進入了新的階段。日本的電機制造商已經成功地在實驗中將光量子瞬間傳送了100千米的距離(實際上並非是在距離100千米的兩地間進行實驗，而是在實驗室內將光纖纏繞了約100千米來進行實驗的)。

在遙遠的未來，我們也許可以同步地與遙距數十萬光年的行星通電話呢。

我們還可以把這個光子換做“Ψ”，用我的話來說就是“Ψ同學，成功實現瞬間移動！”

如果瞬間傳送所有創造“存在”的Ψ同學的話，會發生什麼呢?這樣一來，我們恐怕就能夠實現像電影《星際迷航》中那樣的物質瞬間傳送了。

但請各位不要誤會。物質的瞬間傳送在目前尚未取得成功。不過在理論上它是有可能實現的。初期的量子隱形傳態實驗已經取得了成功，至少我們現在在談論它的時候，不用再把它當作是“SF”( Science fiction，科學幻想)，而可以將其看作是真實存在的“科學”。

創造絕對無法被偷走的貨幣

量子力學應用最廣泛的領域，是資訊科技領域。從這一層意義上而言，第一位指出這一點的愛因斯坦是極為偉大的。同時，接受了愛因斯坦意見、並加以深入研究的玻爾也是非常偉大的。

誕生於20世紀初的量子論孕育出了量子力學，最終在20世紀即將結束的時候，產生了量子隱形傳態這一夢幻般的技術。

以後終將出現“量子計算機”這種新型計算機吧。科學家們目前已經證明了在量子隱形傳態中能夠創造出計算迴路。

即便是全日本最快的超級計算機“京”都要花上一千萬年才能解開的300位素因數分解，運用量子計算機只需要幾十秒就可以解決。這樣一來，資訊科技在眼下所面臨的諸多問題都能夠得到解決。

例如，電腦CPU的電量消耗能夠得到大幅度的縮減。如今，有一些家用的電腦CPU耗電量甚至高達數百瓦。大量電子在微型晶片中川流不息，併產生大量熱能，因此CPU不得不配備大型的製冷裝置。

超級計算機的發熱問題也越來越嚴峻，大多數維修費用都花在了給計算機制冷用的液氮上。而一旦量子計算機出現，電子基本上就沒有必要繼續在導線中穿梭了，也就不會散發熱量。

此外，安全技術也會得到提高。在兩個物件間進行量子隱形傳態時，從理論上講是不可能有第三方竊取情報的。因為量子隱形傳態的資訊是“不會經過空間的”，也不可能從分光裝置中抽取資訊，這在理論上就不可能。

距離這一天的到來也許還有一段時間，不過利用量子隱形傳態技術的量子網路時代終將來臨。像是預感到了量子網路時代的來臨，瑞士正在大舉開展量子密碼技術的研究，我認為這是為了發明量子貨幣。如果能夠發明一種絕對無法竊取的貨幣，不僅會比紙幣更安全，還能夠在全世界自由地進行交易。量子貨幣發明後，瑞士恐怕會成為世界金融強國吧。

量子隱形傳態創造的社會

量子隱形傳態技術會引發社會形態的劇烈變化。今後，這項技術也將會不斷髮展，不斷被應用於實際中。自從2003年“量子資訊通訊技術開發路線圖”公佈以來，量子隱形傳態就正式進入了實用化階段。

2004~2010年：絕對無法竊聽的量子密碼投入實用階段(外交、軍事)。開發單一光子發生器、單一光子檢出器，在數學上證明量子密碼的安全性。

2010年：量子通訊的原型得到實現。運用量子狀態傳送技術、量子錯誤修訂技術，開發超低損耗光纖。

2015年：實現可限定的量子通訊。衛星間光鏈，量子隱形傳態的分子級遠端操作。

2020年：量子計算機出現。開發量子記憶體、量子處理器。

2050年：實現量子網路。量子交換、量子中繼器開發。

2100年：量子計算機完成。實現真正的人工智慧。

(整理自日本總務省“關於具有量子力學效果的資訊通訊技術的應用及其未來展望的研究會報告書”)

這裡提到的“真正的人工智慧”指的是幾乎無法同人類區分開來的智慧生命體。我非常喜愛的哆啦A夢生於2112年9月3日。哆啦A夢能夠按計劃出生的可能性越來越大了。量子計算機的出色效能可能會將這一天變為現實。

在21××年，物質的瞬間傳送很有可能會成功。如今已經有科學家在開展如何傳送單個原子的專案。玻爾創立的量子力學，實際上是一門能夠為21世紀和22世紀的世界帶來巨大改變的學問。

“沒有感受到量子論帶來的衝擊，證明你還沒有真正地理解量子論。”

玻爾如是說道。

參與了玻爾研究的日本科學家

本章的最後，我還想要再介紹一位日本科學家。

他的名字叫作仁科芳雄。毫不誇張地說，正是仁科芳雄奠定了日本量子力學的基礎。

仁科於1890年生於日本岡山縣淺口郡裡莊町。大學時進入東京大學電氣工程系學習，以第一名的成績畢業。……

……

以下略

書摘資訊：

有趣得讓人睡不著的數學

譯者：劉子璨

北京時代華文書局

2019年7月第一版

2020年6月第六次印刷

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科學尚未普及，媒體還需努力。感謝閱讀，再見。