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愛因斯坦和薛定諤是如何合謀殺死那隻貓的?

簡介在量子理論的所有奇異中,似乎很少有比歐文·薛定諤那著名的關於貓的言論更奇怪的了

什麼是量子力學的內外性質

愛因斯坦和薛定諤是如何合謀殺死那隻貓的?

在量子理論的所有奇異中,似乎很少有比歐文·薛定諤那著名的關於貓的言論更奇怪的了。它描述了一隻貓被鎖在一個沒有窗戶的盒子裡,還有一些放射性物質。如果放射性物質發生衰變,那麼一個裝置就會釋放一個錘子,錘子會打碎一小瓶毒藥,殺死貓。如果沒有檢測到放射性物質,這隻貓就活了下來。薛定諤虛構了這個可怕的場景來嘲笑他所認為的量子理論的一個可笑的特徵。根據該理論的支持者,在有人開啟盒子檢視貓之前,貓既不是活的也不是死的;它以一種奇怪的、典型的量子態存在,即生即死。

今天,在我們這個充斥著棒棒糖的世界裡,薛定諤這個奇怪的小故事常常被用來搞笑,其基調與其說是陰鬱,不如說是滑稽。在薛定諤的時代,尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡宣稱,像貓應該處於的那種混合狀態是自然的一個基本特徵。還有一些人,比如愛因斯坦,堅持認為大自然必須做出選擇:要麼是活的要麼是死的,但不能即是活的也是死的。

雖然薛定諤的貓在今天仍是一個謎團,但討論往往忽略了這個理論的一個關鍵方面:薛定諤最初構想它的環境。面對世界大戰、種族滅絕和德國知識分子生活的瓦解,薛定諤的思想轉向毒藥、死亡和毀滅,這並非巧合。因此,薛定諤的貓應該提醒我們的不只是量子力學的奇異性。它還提醒我們,科學家和我們其他人一樣,也是有感覺和恐懼的人。

愛因斯坦和薛定諤是如何合謀殺死那隻貓的?

1935年夏天,薛定諤在與愛因斯坦的親密對話中精心設計了他的貓場景。20世紀20年代末,兩人都住在柏林,這鞏固了他們的友誼。那時,愛因斯坦的相對論使他一舉成名。他的日程被世俗的事情打斷了——國際聯盟的委員會會議,為猶太復國主義事業奔走——還有他的科學追求。1927年,奧地利人薛定諤在介紹了量子力學的波動方程(現在簡稱為薛定諤方程)僅僅一年後,就被提升為柏林大學的教授。他們一起享受了維也納香腸派對,以及在愛因斯坦避暑別墅附近的湖面上航行。

很快,他們善意的聚會就停止了。希特勒於1933年1月就任德國總理。當時,愛因斯坦正在加州帕薩迪納市拜訪同事。當他不在的時候,納粹突襲了他在柏林的公寓和避暑別墅,並凍結了他的銀行賬戶。愛因斯坦辭去了普魯士科學院的職務,很快就在新澤西州的普林斯頓定居下來,成為新成立的高等研究院的首批成員之一。

與此同時,薛定諤——他不是猶太人,在政治上一直比愛因斯坦低調——驚恐地看著納粹在那個春天舉行了大規模的焚書集會,並將基於種族的限制擴大到大學教師身上。薛定諤接受了牛津大學的獎學金,並在那年夏天離開了柏林。(他後來在都柏林定居)。

不久他們的交流又恢復了,他們曾經的閒庭信步被大西洋彼岸的郵報取代了。在1933之前,兩位物理學家都對量子理論做出了巨大的貢獻;事實上,兩人都因在這一領域的研究而獲得了諾貝爾獎。然而,兩人都對同事們試圖弄懂這些方程式的努力大失所望。

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1935年5月,愛因斯坦與高階研究所的兩位年輕同事鮑里斯·波多爾斯基和內森·羅森發表了一篇論文,指責量子力學是不完整的。他們寫道,存在“現實的元素”,而量子理論只提供了可能性。6月初薛定諤致信祝賀他的朋友最新的論文,公開稱讚愛因斯坦的“公開呼籲教條量子力學來解釋我們過去在柏林討論過的那些事情。“十天後愛因斯坦回答說,“被認識論浸透的狂歡應該結束了”,量子力學完全描述了一種本身就是機率性的事情。

這使這隻即將出生的貓第一次興奮起來。在給薛定諤的後續信中,愛因斯坦讓他的朋友想象一個球被放在兩個完全相同的封閉盒子裡。在開啟任何一個盒子之前,在第一個盒子裡找到球的機率是50%。愛因斯坦懷疑這是一個完整的描述,並相信一個適當的原子域理論應該能夠計算一個確定的值。對愛因斯坦來說,只計算機率意味著止步不前。

在薛定諤熱情的回答的鼓舞下,愛因斯坦進一步推動了他的球盒類比。如果物理學家們過去常討論的小尺度過程被放大到人類的尺寸會怎樣?在8月初寫給薛定諤的信中,愛因斯坦提出了一種新的設想:假設有一種本質上不穩定的火藥,在一年內不爆炸的可能性是一樣的。“原則上,這可以很容易地用量子力學來表示,”他寫道。雖然薛定諤方程的解在早期看起來是合理的,“一年之後,情況就完全不同了。早在1926年,薛定諤將波函式引入到量子理論,“然後描述一種懸而未決的混合發生爆炸的系統。即使是波爾,愛因斯坦在信中得意洋洋地說,也不應該接受這種無稽之談,因為“事實上,爆炸和未爆炸之間沒有中介。”愛因斯坦堅持認為:自然之間必須選擇這樣的替代品。

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愛因斯坦本可以找到許多不同的例子來批評量子機率描述。他的特別選擇——火藥爆炸所造成的明確無誤的損害——可能反映了歐洲日益惡化的局勢。早在1933年4月,他就曾寫信給另一位同事,描述他對希特勒等“病態的煽動家”如何掌權的看法,並指出,“我相信你知道我是多麼堅信所有事件的因果關係”——無論是量子還是政治。那年晚些時候,他在倫敦一個座無虛席的禮堂裡發表演講,講述“這些暴風雨時期的閃電”。他對另一位同事驚恐地說,“德國人正在秘密地大規模重新武裝自己。”工廠日夜不停地運轉(飛機、輕型炸彈、坦克和重型軍械)”——如此多的炸藥隨時可能爆炸。

也許是受到他們一次交流的啟發,薛定諤開始寫他自己的一篇長文,題為《量子力學的現狀》。收到愛因斯坦關於火藥爆炸的信一週半後,薛定諤以一種新奇的方式回覆了他。現在有一隻貓代替了火藥。

在法西斯主義前進的鼓聲中,關於盒子裡的球的談論演變成了爆炸、毒藥和對生死的病態計算,這一點也不奇怪。

薛定諤在給朋友的信中寫道:“在一個鋼室裡,有一個蓋革計數器,裡面裝有少量的鈾。它是如此之小,以至於在接下來的一個小時裡,一個原子衰變的可能性和一個原子都不衰變的可能性一樣大。”愛因斯坦的信發表幾個月後,薛定諤現在著名的貓的例子出現在《自然科學》雜誌上,措辭幾乎相同。

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夏天,薛定諤的思想不僅僅是關注柏林人受到的虐待。薛定諤毫不掩飾他對納粹政權的厭惡,當被迫逃離柏林時,他變成了徹頭徹尾的宿命論者,在他的日記中沉思道,“難道我對這個世界已經瞭解得夠多了嗎?”到了牛津幾個月後,一位來訪的朋友注意到他有多麼不開心,流離失所的壓力加劇了這則令人沮喪的新聞。1935年5月,薛定諤在英國廣播公司(BBC)廣播中發表了20分鐘的關於“平等與相對性”的演講。

當他的文章發表時,薛定諤寫信給玻爾,試圖再次辨別玻爾和其他人如何能與量子力學的奇異特性和平共處。與愛因斯坦一樣,薛定諤渴望與玻爾本人討論這類問題,“但現在的時代不適合進行愉快的旅行。”更大的問題出現了。薛定諤寫道,他“希望再一次永久地在某個地方,也就是說,有相當大的可能性知道一個人在未來5年或10年裡要做什麼”。

然而,歐洲仍在黑暗中越陷越深。就在薛定諤把他關於量子貓和氫氰酸的觀點介紹給世人的幾年後,納粹工程師們開始在他們極其高效的毒氣室裡使用同樣的毒藥。

隨著時間的推移,薛定諤認為會削弱量子力學的挑戰反而變成了教授學生該理論最熟悉的比喻之一。量子力學的一個核心原則是粒子可以以“疊加”狀態存在,同時具有兩種相反的性質。雖然我們在日常生活中經常面臨“非此即彼”的選擇,但大自然——至少在量子理論中是這樣描述的——可以選擇“非此即彼”。

幾十年來,物理學家們已經在實驗室裡成功地創造出了各種薛定諤貓態,將微小的物質“兩者”疊加,並探測它們的性質。儘管薛定諤有所保留,但每一項測試都與量子力學的預測相一致。

因此,薛定諤關於他那隻命運多舛的貓的故事具有雙重諷刺意味。首先,儘管薛定諤的貓在物理課堂內外仍是眾所周知的,但很少有人記得薛定諤是為了批評量子力學而不是闡明量子力學而引入他的貓的。其次,更能說明問題的是:在薛定諤的貓所處的時代,它是一個更廣闊的世界的提喻,而這個世界已經變得太過陌生,有時也太過具有威脅性,以至於人們無法理解。

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