為什麼沒人做「薛丁格的貓」這個實驗,是有技術難度嗎?
一個不可能的實驗
「薛丁格的貓」是一個許多人耳熟能詳的故事,有些人甚至能夠將它完整地背下來。
然而真正能夠了解這個故事及其背景的人卻並不多,如果你真的希望誰複製這個實驗,去抓只貓來試一試的話,那就說明你真的不懂它。
薛丁格並沒有打算做這個實驗,他甚至不認為這個實驗能夠成功,因為他闡述的是一個悖論,用了當時科學家們最拿手的思想實驗的方式。在薛丁格的貓身上,有強烈的不滿,我們甚至能感覺到些許諷刺。
(薛丁格的貓)
量子力學流派的對撞
埃爾溫·薛丁格是一個偉大的物理學家、概率量子力學——波動力學的創始人,是現代量子力學的主要奠基人之一。薛丁格因他的薛丁格方程獲得諾貝爾物理學獎。
薛丁格是一個實在論者,他提出過兩條基本原則:一是自然的可理解性原則,二是客觀化原則。薛丁格在他的科學研究中也始終堅持這兩條原則。正因為如此,它造成了薛丁格與玻爾為首的量子力學哥本哈根學派之間的激烈碰撞。
(哥本哈根學派:玻爾、海森堡與泡利)
我們先來簡單介紹一下哥本哈根學派,它是玻爾、海森堡和波恩為首在哥本哈根所創立的學派,代表人物還有大名鼎鼎的泡利、狄拉克等科學家。他們是量子力學理論最後的贏家,因此哥本哈根學派的量子力學觀點後來被冠以「正統解釋」的帽子(據說是因為反對者都先死了)。但是在一開始,波爾和海森堡的「不確定性原理」還是引發了一大波反對聲的。
其中最激烈的兩個反對者就是薛丁格和愛因斯坦。薛丁格拎出了貓,而愛因斯坦更是搬出了「上帝」。
(愛因斯坦與薛丁格)
提到薛丁格,就不能不提著名的薛丁格方程,儘管這世上沒幾個人能看懂,我還是覺得將這幾個高大上的方程式貼出來是件很有面子的事情:
(薛丁格方程組)
1926年,薛丁格通過二階線性偏微分方程組確立了量子波動力學,也一舉奠定了自己在量子力學中領導者之一的地位。
薛丁格與玻爾的「對決」
同年9月,玻爾邀請薛丁格去哥本哈根講學,這本來是件愉快的事,但薛丁格卻並不快樂,他從下了火車就開始跟玻爾「吵架」,一直吵到玻爾家裡,住在玻爾的家裡他倆天天吵,每天從早上起床就開始吵,一直吵到深夜。
本來是去做客的,這兩個科學家為啥吵起來了呢?為了學術。前面說了薛丁格創立了量子波動力學,他堅定地認為量子力學具有波函數的性質,它應該是連續的。但玻爾卻認為量子存在非連續性的躍遷,並且由於「隱變量」的關係,這種躍遷是不可測量的,在你測量它之前永遠不知道到底是個什麼狀態,而一旦你開始測量,它就崩潰了。這一點顯然是在挑戰波函數的連續性,對於持經典力學觀點的薛丁格無論如何也難以接受的。
(玻爾和他的妻子)
就這樣吵了幾天之後,薛丁格病倒在玻爾家裡,玻爾的妻子一邊給他端水遞藥,玻爾還在一旁不停地解釋,試圖說服薛丁格。你說他這是去講學呢,還是去洗腦?
當薛丁格回到家後,也許是出於對玻爾老婆照顧的感激,他不再激烈反對「不確定性原理」,但對於哥本哈根派的隱變量解釋卻始終持批判態度。薛丁格與愛因斯坦聯合起來共同對抗玻爾和海森堡的哥本哈根學派,直到炮製出「薛丁格的貓」。
(被玻爾「聊倒」的薛丁格)
「薛丁格的貓」實驗中,假設了兩個要素:一是由核衰變釋放粒子控制的電子開關和毒藥,另一個是不知死活的貓。薛丁格希望利用這個思想實驗中的不確定條件暗諷哥本哈根學派「隱變量」的不確定性,從而指出這是一個悖論。因為實驗中的貓除了「死」與「活」兩種狀態外,還有一個「不死不活」的狀態,因為你永遠不能確定它的死活。而量子現象恰恰會處於某種混沌的狀態,你不能預測它,這讓薛丁格這樣的科學家很惱火。
(薛丁格和他的貓)
愛因斯坦也一樣,那個「上帝不會擲色子」就是愛因斯坦面對量子現象不確定性問題時的錯愕與憤怒。他聽懂了量子理論,但不能接受這種解釋。愛因斯坦喜歡薛丁格方程及波函數的確定性,他至死都不認可還有「不死也不活狀態」的貓。
思想實驗
最後說一說思想實驗。與今天的物理學家們嚴重依賴價值數百億美元的強子對撞機不同,十九、二十世紀的科學家們大量採用的是思想實驗,他們在頭腦中構築起思想機器、用精密的邏輯和思維來驅動微觀粒子、用美妙的數學來計算、用簡潔優美的公式來告訴人們結論。當愛因斯坦還是瑞士伯爾尼專利局的小職員時,他根本沒有條件去測量天體,但他卻通過思想實驗創立狹義相對論與廣義相對論。同樣的,薛丁格也用他精確的方程組創立了量子力學的半壁江山。
(那個時代的科學巨匠們)
對於科學,科學家們一直在不停地探索,而我們這些吃瓜群眾要做的,不僅是認可他們的工作,還應該學會以科學的態度去看待科學。即便是質疑,你也應提出自己的觀點,將它拿出來討論,就像薛丁格做的那樣。
質疑決不是沒頭沒腦地來一句:「你這是胡扯!」然後拍屁股走人。
當然,你需要有知識。