愛因斯坦和薛丁格是如何合謀殺死那隻貓的?

2020-12-11 老胡說科學

在量子理論的所有奇異中,似乎很少有比歐文·薛丁格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。薛丁格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,在有人打開盒子查看貓之前,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,薛丁格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。在薛丁格的時代,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。

雖然薛丁格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:薛丁格最初構想它的環境。面對世界大戰、種族滅絕和德國知識分子生活的瓦解,薛丁格的思想轉向毒藥、死亡和毀滅,這並非巧合。因此,薛丁格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。

1935年夏天,薛丁格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,奧地利人薛丁格在介紹了量子力學的波動方程(現在簡稱為薛丁格方程)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,並凍結了他的銀行帳戶。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,薛丁格——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。薛丁格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。

1935年5月,愛因斯坦與高級研究所的兩位年輕同事鮑裡斯·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月初薛丁格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概率性的事情。

這使這隻即將出生的貓第一次興奮起來。在給薛丁格的後續信中,愛因斯坦讓他的朋友想像一個球被放在兩個完全相同的封閉盒子裡。在打開任何一個盒子之前,在第一個盒子裡找到球的概率是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,只計算概率意味著止步不前。

在薛丁格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月初寫給薛丁格的信中,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。雖然薛丁格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,薛丁格將波函數引入到量子理論,「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。

愛因斯坦本可以找到許多不同的例子來批評量子概率描述。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,薛丁格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周半後,薛丁格以一種新奇的方式回復了他。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。

薛丁格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,薛丁格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。

夏天,薛丁格的思想不僅僅是關注柏林人受到的虐待。薛丁格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了解得夠多了嗎?」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,薛丁格在英國廣播公司(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,薛丁格寫信給玻爾,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,薛丁格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。薛丁格寫道,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。就在薛丁格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,薛丁格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丁格貓態,將微小的物質「兩者」疊加,並探測它們的性質。儘管薛丁格有所保留,但每一項測試都與量子力學的預測相一致。

因此,薛丁格關於他那隻命運多舛的貓的故事具有雙重諷刺意味。首先,儘管薛丁格的貓在物理課堂內外仍是眾所周知的,但很少有人記得薛丁格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:在薛丁格的貓所處的時代,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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    導語:有那麼一隻貓,它屬於薛丁格,屬於愛因斯坦,屬於物理學史,屬於每一個對量子理論懷有好奇幻想的人。有那麼一隻貓,它屬於薛丁格,屬於愛因斯坦,屬於物理學史,屬於每一個對量子理論懷有好奇幻想的人。本文將從這隻貓的由來出發,以這隻貓帶來的種種困惑收尾,與讀者到量子領域一遊。薛丁格的貓,原本是薛丁格和愛因斯坦兩位量子力學的先驅者,為反對(當前主流的)量子力學哥本哈根詮釋而聯手鑄就的一把思想武器。為了介紹這把武器,要先從量子力學的建立,尤其是物質波說起。
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    薛丁格的貓是奧地利著名物理學家薛丁格提出的一個理想實驗。試圖闡述宏觀尺度是否遵從微觀尺度的量子疊加原理的問題,巧妙地把微觀放射源和宏觀的貓聯繫起來,以此證明量子力學在宏觀狀態下的不完備性。隨著物理學的發展,薛丁格的貓還牽引出了平行宇宙等物理問題和哲學爭議。
  • 為什麼「薛丁格的貓」這個實驗在現實中永遠無法實現
    很簡單,因為「薛丁格的貓」這個實驗是套用宏觀世界的認知來對對微觀世界進行闡述,在宏觀世界是無法複製的。1924年,德布羅意首次正式提出了「波粒二象性」,他指出波粒二象性不只是光子才有,一切微觀粒子,包括電子和質子、中子,都具有波粒二象性。
  • 為什麼說「薛丁格的貓」是對上帝在擲骰子的最好論證?
    這恰恰也是愛因斯坦的相對論所無法接受的,相對論雖然推翻了牛頓的絕對時空觀,卻仍保留了嚴格的因果性和決定論。作為愛因斯坦的盟友,薛丁格同樣無法認可玻爾的觀點,所以他提出了「薛丁格的貓」實驗。將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。
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    但其後來如同愛因斯坦一樣,對量子力學有諸多質疑,1935 年他發表了著名的薛丁格貓佯謬,質問客觀世界是否存在可以區分的量子態的疊加。 圖1 薛丁格於1935 年提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗示意圖薛丁格提出這個佯謬本意是想問,宏觀世界是否存在與微觀世界一樣可區分態的疊加態?現實世界為何只看到要麼死,要麼活的貓,從未看到這隻半死半活的貓?可見這裡的關鍵詞是「死」和「活」這兩種可區分狀態,「貓」只是用於形象地表徵這個物理命題而已,採用貓呀狗呀都一樣。
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