科学史上最著名的猫,以及它令人意外的残忍隐喻

作者 / 管理员 ·2016-11-20 科学史,人物,物理
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人生无根蒂,飘如陌上尘。“既死又活”的薛定谔猫,正如那个灰暗年代无数科学家的命运。

撰文  David Kaiser

翻译  陆静怡

审校  杨晨 张士超

纵观与量子理论有关的所有奇谈,很少有比薛定谔那既生又死的猫更古怪的了。实验是这样的:一只猫被关在一个密闭无窗的盒子里,盒子里有一些放射性物质。一旦放射性物质衰变,有一个装置就会使锤子砸碎毒药瓶,将猫毒死。反之,衰变未发生,猫便能活下来。薛定谔设计了这个可怕的实验来挖苦量子理论荒唐的一面,按照量子论支持者的解释,在打开盒子看猫之前,这只猫非生非死,而是处在典型的量子态,即活与不活叠加的离奇状态。

在当今这个猫咪表情包盛行的时代,薛定谔的奇谈总是被当作玩笑,以戏谑而非阴郁的口吻提及。它也成为许多哲学与物理学困境的代表。与薛定谔同时代的尼尔斯·玻尔和沃纳·海森堡曾宣称,类似于那只猫所处的混合态是大自然的基本特点。而其他人,比如爱因斯坦,则坚持大自然必须做出选择:非生即死,而非既生又死。

薛定谔的猫如今已成为一种文化符号,然而这个奇谈还有一个重要方面往往被忽视:薛定谔当初构思这个实验时所处的时代背景。面对迫近的世界大战、种族灭绝和德国人土崩瓦解的精神世界,薛定谔联想到毒药、死亡和毁灭并非巧合。因此,薛定谔的猫不仅告诉我们量子力学的光怪陆离,还提醒着我们,科学家也像普通人一样有情感、会恐惧。

薛定谔打造这个思想实验,是在1935年夏天与爱因斯坦的一场对话中。

两人在上世纪二十年代末就结下了深厚的友谊。那时他们都居住在柏林,爱因斯坦的相对论让他一举成名,他的计划也时不时地被世俗的事务打断——国际联盟的委员会议,宣扬犹太复国主义的演说,再加上他自己的科研工作。再说短小精悍的奥地利人薛定谔,他在1927年升任柏林大学的教授,距他提出量子力学波动方程(现称薛定谔方程)仅仅过了一年。他们或是一起在薛定谔家中享受热闹的维也纳香肠派对,或是一起在爱因斯坦避暑别墅旁的湖中划船。

然而没过多久,他们在一起的愉快时光就戛然而止了。1933年1月,希特勒出任德国总理。那时,爱因斯坦恰巧在美国加利福尼亚的帕萨迪纳市拜访他的同事。在他离开的日子,纳粹分子查抄了他在柏林的公寓以及避暑别墅,并且冻结了他的银行账户。因此,爱因斯坦从普鲁士科学院(Prussian Academy of Sciences)辞职,并快速地做出安排,在新泽西州的普林斯顿住了下来,成为新诞生的普林斯顿高等研究院(Institute for Advanced Study)的首批成员之一。

知识之死:20世纪30年代,在纳粹德国发生了诸多令人揪心的暴力事件,图中的焚书就是其中之一。这些事件的影响波及生活的各个层面——包括科学家采用何种暗喻来描述科学。图片来源:U.S. National Archives


而薛定谔是一个在政治上比爱因斯坦低调的非犹太人。在那年春天,他惊恐地看着纳粹分子大肆焚书、对大学教员进行愈发严苛的种族限制。同年夏天,薛定谔受聘牛津大学研究员职位,离开了柏林(后定居都柏林)。八月,他在旅途中给爱因斯坦的信里写道:“很遗憾,近几个月我像大多数人一样,没有办法保持内心平静、专心工作。”

不久,他们又恢复了交流,只是闲适的漫步已被跨大西洋的信件取代。在1933年的劫难之前,他们俩都对量子理论做出过巨大的贡献,并为此获得诺贝尔奖。除此以外,他们都对同行为波动方程做出的解释感到失望。所以,信纸为媒,邮票为介,他们重新回到热烈的讨论中。

1935年5月,爱因斯坦和两个年轻的同事波多尔斯基、罗森在普林斯顿高等研究院发表了一篇论文,直言量子力学是不完备的。他们写道:“物体应该有实在的要素——准确的数值和性质,然而量子理论仅仅给出了概率。”6月初,薛定谔写信为爱因斯坦的新作道喜,称赞他“公开地要求那些武断的量子力学支持者们解释我们曾在柏林热切讨论过的东西”。十天后,爱因斯坦回信向薛定谔倾诉说“这场沉浸在认识论中的闹剧可以休矣”。他们口中“闹剧”的出演者是玻尔及其以海森堡为代表的追随者,这些人都认为量子力学完美地解释了这个概率性的世界。

而这也成为了猫实验诞生的萌芽。在给薛定谔的回信中,爱因斯坦让他设想两个一模一样的密闭盒子,在其中一个盒子中放入一个球,在打开任一盒子之前,在第一个盒子中找到球的概率应该是50%。而爱因斯坦并不认为这是一个完备的描述,他相信在原子领域一定有一个合适的理论,可以计算出一个确切的数值。在爱因斯坦看来,仅仅计算出概率还远远不够。

在薛定谔热情洋溢的回复感染下,爱因斯坦进一步扩充了他的盒中球的类比。若是把物理学家们谈论的微观过程放大到宏观尺度会怎么样呢?在8月初写给薛定谔的信中,爱因斯坦设想了一个新的方案:想象一堆性质不稳定的火药,很有可能在一年内都不会爆炸。他写道:“原则上这很容易用量子力学的形式表示”,对于火药这一年内的情况,薛定谔方程的解释看上去合情合理,然而“一年以后情况完全变了,这时波函数 ψ(薛定谔在1926年引入量子理论的波函数)描述的便是一种既还没爆炸又已经爆炸了的混合状态。”爱因斯坦在信中激动地表示,不仅仅是玻尔,所有物理学家都不应该接受这种无稽之谈,因为 “现实中并不存在介于已爆炸和未爆炸之间的状态”。他坚信大自然必定会在两者间做出选择,因此物理学家也该如此。

爱因斯坦本可以选择许多其他的宏观的例子来批判量子概率的描述,而他却选择了以火药爆炸造成的明显破坏为例,也许意在反映当时欧洲不断恶化的局势。早在1933年4月,他就写信给另一位同事论述对像希特勒这样的“病态煽动者”获得权力的看法,信中还说“我敢肯定你知道我有多确信事物之间是存在因果关系的”,量子和政治都是如此。同年晚些时候,他在伦敦一个座无虚席的礼堂内,发表了有关“暴风雨中的时代闪电”的演说。他在给另一位同事的信中说,他惊恐地看着“德国人秘密地大规模重整军备。工厂日夜不停地制造(飞机、轻型炸弹、坦克和重型武器)”——大量炸药静待引爆。1935年,爱因斯坦公开放弃他先前对反战主义的承诺。

也许是受到与爱因斯坦近期交流的影响,薛定谔开始撰写他自己的长论文,题为《量子力学的现状》(The Present Situation in Quantum Mechanics)。收到爱因斯坦有关火药实验的信约十天后,薛定谔回复了他想到的新花样:他的盒子里放的不是火药,而是一只猫。

薛定谔写道:“密闭的铁匣子里放着一个盖革计数器和少量的铀,因为量非常少,所以很可能一个小时内有一个原子衰变的概率和没有衰变的概率一样。当第一次衰变发生时,通过继电器,装置会释放锤子砸碎一瓶氢氰酸。另外残忍的是,还有一只猫设被关在这个铁匣子里。”与爱因斯坦的例子一样,薛定谔假想预定的时间过后,根据量子力学的理论,“此时既可以说猫是活的,又可以说猫是死的。”爱因斯坦非常高兴,并在9月初回信道:“你的猫实验说明我们的意见完全相同,既包含生又包含死的波函数ψ不能被用来描述现实的状况。”

薛定谔收到爱因斯坦回信后没几个月,如今闻名遐迩的薛定谔猫实验刊登在了杂志《自然科学》(Die Naturwissenschaften)上,措辞几乎与信件中的一模一样。然而这篇论文差点在印刷之前夭折。就在薛定谔给该杂志投稿后的几天,创始编辑、犹太物理学家 Arnold Berliner 被解雇了。薛定谔想要撤回稿件表示抗议,直到 Berliner 亲自说情他才作罢。

那年夏天困扰薛定谔的绝不仅仅是 Berliner 受到的不公待遇。他从不掩饰对纳粹政权的厌恶,在被迫逃离柏林的时候,他已经有点宿命论的倾向。他在日记中隐晦地说:“也许是我对这个世界了解的还不够多,也许是我没有准备好面对这样的世界……”抵达牛津几个月后,一个来拜访他的朋友注意到,先前的苦恼加上背井离乡带来的压力让他每天都郁郁寡欢。1935年5月,就在爱因斯坦、波多尔斯基和罗森的论文发表的同时,薛定谔在 BBC 广播发表了一场20分钟的演说,题为《自由的平等与相对性》,回顾了历史上多次“用绞架、刑柱、刀剑和大炮对付德高望重的自由人”的政治迫害。伴随着法西斯进军的鼓点,有关球与盒的奇思异想,很快转变成爆炸、毒药以及令人毛骨悚然的生死计算。

他的论文还在印刷中时,薛定谔写信给玻尔,再次尝试让他和其他一些人解释量子力学的这个奇怪特点。薛定谔希望能与波尔面对面地谈论这个问题,就像与爱因斯坦近距离交流一样。“但是现在不是能愉快旅行的时候”。现实中的问题也许比无法旅行严重得多。薛定谔写道“希望能像以前一样长期住在某地,以相当的概率确定接下来自己五到十年该干什么。”然而生活中却充满了危险的不确定。

欧洲还在陷入更深的黑暗中。就在薛定谔发表量子猫和氢氰酸的实验几年后,纳粹的工程师们在毒气室中用同种毒药(代号“Zyklon B”)展开了无情的屠杀。1942年3月,在被关入集中营之前,《自然科学》杂志的的前编辑Arnold Berliner选择了自杀——他的生命最终走向残酷的确定。

多年之后,薛定谔臆想中将挫败量子力学的一个思想实验,却成为用来教授量子论的经典比喻之一。量子力学的一个中心原则就是粒子可以存在于叠加态中,能同时拥有两个相反的特性。尽管我们在日常生活中常常面对“不是A就是B”的抉择,而大自然(至少在量子论的描述中)是可以接受“既是 A 又是 B”的。

在过去的几十年里,物理学家成功地在实验室中实现了多种薛定谔猫态,将物质微粒转变为“既是 A 又是 B”的叠加态,并探测它们的性质。尽管薛定谔对此持保留意见,然而每一次测试结果都符合量子力学的理论预测。在最近的一次试验中,我和我的同事证明了中微子(一种与普通物质相互作用非常微弱的亚原子)可以在薛定谔猫态下移动数百英里。

薛定谔的奇谈是一个双重讽刺。尽管薛定谔的猫闻名于现如今的物理课堂内外,但很少有人记得薛定谔引入这个实验是为了批判而非解释量子力学。更重要的是,薛定谔的猫在那个年代影射了更广阔的世界——一个越来越奇怪、越来越凶险、越来越让人捉摸不透的世界。

原文链接:http://nautil.us/issue/41/selection/how-einstein-and-schrdinger-conspired-to-kill-a-cat

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谭坤
来膜拜男神了!

2016-11-21 15:37:05

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伟大的时代,伟大的科学家们……

2016-11-20 17:05:19

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