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成为灯塔国符号的薛定谔丨纪念薛定谔诞辰135周年

原创 保罗·哈尔彭 返朴
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今天,大多数听到“薛定谔”(1887.8.12-1961.1.4)这个名字的(de)人(ren)都会立即想到一只猫、一个盒子和一个悖论。他(ta)著名的(de)“薛定谔猫”的(de)思想实验,是(shi)他(ta)1935年论文“量子力学的(de)现状”的(de)一部分。然而,这个科学史上最著名也最可怕的(de)思想实验,其实是(shi)薛定谔对(dui)当时量子力学发展状况的(de)挖苦。尽管如此,薛定谔去世十多年后,他(ta)和他(ta)的(de)猫还是(shi)成了流行文化里“模棱两可”的(de)符号。
撰文 | 保罗·哈尔彭
翻译 | 徐彬、陈楠

大学生活
薛定谔在文理高中毕业(ye),他(ta)最爱的(de)两门课是(shi)数学和物理,毕业(ye)成绩优等。在学业(ye)上,他(ta)的(de)实力可以选择任何专业(ye),但他(ta)却对(dui)如何用公(gong)式描述物理世界非常痴迷。他(ta)非常想在大学进修理论物理学,在他(ta)心里,玻尔兹曼会是(shi)一位极为出色的(de)导师。不幸的(de)是(shi),他(ta)入学的(de)时候,学校正处于昏暗时期,物理学的(de)上方乌云笼罩。
薛定谔回忆道:“古老的(de)维也纳大学,沉浸在失去路德维希·玻尔兹曼的(de)哀伤之中……让我(wo)对(dui)那个伟大思想家的(de)思想有了直接的(de)了解。可以说他(ta)的(de)思想世界是(shi)我(wo)在科学上的(de)初恋。从没有人(ren)让我(wo)如此着迷,将来也不会有了。”
玻尔兹曼在基础问题上的(de)勇敢探求影响了薛定谔。玻尔兹曼不惧使用原子作为建(jian)筑构件来建(jian)构掌控整个宇宙热行为的(de)法则。受他(ta)的(de)启发,薛定谔后来也雄心勃勃地想建(jian)立一个囊括所有自然力的(de)基础理论。
学校里能够取代玻尔兹曼理论物理学主任之位的(de)是(shi)他(ta)之前的(de)学生、出色的(de)理论家弗里德里希(弗里兹)·哈森内尔。哈森内尔研究移动物质产生的(de)电磁辐射,已经小有名气,而且在爱因斯坦发现其著名的(de)方程式之前,发现了能量与质量(尽管错了)之间的(de)关系。他(ta)待人(ren)友好(hao),很受学生欢迎。虽然薛定谔不能跟玻尔兹曼学习热理论和统计力学,但他(ta)有幸可以跟玻尔兹曼的(de)高徒学习这两门课以及其他(ta)课程,比如光学原理。人(ren)人(ren)都夸赞哈森内尔是(shi)一名出色的(de)教师。受哈森内尔的(de)教学和玻尔兹曼成就的(de)启发,薛定谔希望在理论物理学领域开拓出一条属于自己的(de)道路。
作为一个学生,薛定谔很快名声大振。汉斯·瑟林是(shi)他(ta)物理系的(de)同学,后来成了他(ta)一生的(de)朋友,他(ta)在一次数学研讨会上回忆到,当时一位金发的(de)青年走进教室,然后听见另一个毕业(ye)于文理高中认识他(ta)的(de)人(ren)带着敬畏的(de)语气说:“噢,这可是(shi)薛定谔哦!”
薛定谔对(dui)理论兴趣浓厚,但在大学里做的(de)研究主要是(shi)实验操作,导师是(shi)弗朗茨·埃克斯纳(Franz Exner)。薛定谔后来在埃克斯纳的(de)指导下获得博士学位。埃克斯纳对(dui)电的(de)许多行为感兴趣,包括电在大气中的(de)产生和特定化学过程中的(de)产生。他(ta)还探索光和色的(de)科学,研究放射性。薛定谔的(de)博士论文题目是(shi)《湿空气中绝缘体表面的(de)电传导》(On the conduction of electricity on the surface of insulators in moist air)。这是(shi)一篇非常实用的(de)论文,讨论的(de)是(shi)湿气的(de)电场效应中,物理测量所使用的(de)绝缘装置的(de)问题。这位未来的(de)理论家的(de)事业(ye),最开始是(shi)先把手弄得脏兮兮的(de)——在一间狭小的(de)实验室里,将电极与琥珀、石蜡和其他(ta)绝缘材料的(de)样本连接起来,测量通过其中的(de)电流。1910年他(ta)获得了博士学位,1914年因研究与原子行为和磁力有关的(de)理论问题,获得特许任教资格(Habilitation,最高的(de)学术级别,可以从事教学)。
但薛定谔和爱因斯坦开始探索引力和电磁力的(de)统一,是(shi)许多年之后的(de)事。但说来也奇怪,1910年病中的(de)马赫写了一封信,最后转到了薛定谔的(de)手里,这封信即将改变一切。虽然马赫已经退休了,但他(ta)依然积极地探求自然的(de)深层次问题。他(ta)开始思考引力和电力定律的(de)平方反比的(de)通用性,思考这些力是(shi)否可以统一起来,并且咨询大学里的(de)哪个人(ren)能解开他(ta)的(de)疑惑。德国物理学家保罗·戈伯的(de)理论颇具争议性,马赫尤其想找个学识渊博的(de)人(ren)对(dui)他(ta)的(de)理论做个评定。马赫的(de)问题传到了薛定谔的(de)手里,而他(ta)发现戈伯的(de)论文很难读懂。尽管如此,这份交流可以说是(shi)薛定谔和他(ta)心中的(de)一位智慧英雄马赫的(de)间接接触,也是(shi)开始理论工作的(de)一个前奏。而且,能被选中回应马赫的(de)问题,这也代表了薛定谔在维也纳大学获得了高度的(de)认可。就在二十五六岁的(de)时候,薛定谔开始成名。

日渐式微的(de)帝国
时值哈布斯堡城举行盛会——这是(shi)一场欢快的(de)会晤,一场即将跟维也纳黄金时代挥手告别的(de)盛会。被邀嘉宾是(shi)几千位欧洲境内说德语的(de)顶尖科学家。从布拉格到布达佩斯,自柏林至苏黎世,群英荟萃、少长咸集。他(ta)们(men)都想了解一些新的(de)惊世理论,讨论的(de)范围涉及粒子、原子、光、电、统计物理学,以及其他(ta)领域。会上有几位大家未能如期而至,比如受人(ren)尊敬的(de)慕尼黑物理学研究所所长普朗克和阿诺德·索末菲就缺席了。但会上仍有几个备受瞩目的(de)物理学新发现,使得奥匈帝国物理界最后一支华尔兹舞曲变成了一场永世难忘的(de)盛会。
第85届德国自然科学家与物理学家集会(与5年前在科隆开会时闵可夫斯基致辞时到场的(de)人(ren)相同)盛况空前。大会从1913年9月21日一直持续到23日,地点位于维也纳大学物理研究所的(de)新总部,靠近玻尔兹曼街。坚持建(jian)造新总部的(de)是(shi)埃克斯纳,他(ta)把这当成自己留任的(de)条件。恢宏的(de)报告厅内,几巡报告之后,7000多名与会人(ren)员受邀参加皇家举办的(de)豪华招待会。这是(shi)维也纳市政府组织的(de)盛宴,也是(shi)维也纳的(de)物理学家们(men)安排的(de)聚会。招待十分周全,每个人(ren)都尽享盛宴。
报告期间,辐射问题和原子物理学成为了人(ren)们(men)热议的(de)话题。德国物理学家汉斯·盖革做了一场发言,他(ta)是(shi)盖革计数器(1908年时还是(shi)很初级的(de)形式)的(de)发明人(ren),他(ta)曾与新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)共过事。1909年,在卢瑟福的(de)指导下,盖革和欧内斯特·马斯登(Ernest Marsden)在曼彻斯特大学进行了一场巧妙的(de)实验来探索原子的(de)结构。他(ta)们(men)用α粒子(一种与氦离子相同的(de)放射性物质)轰击金箔,发现几乎所有粒子毫不费力地就穿过了金箔,好(hao)像金箔就是(shi)一张薄纸一样。但是(shi),有很小一部分弹回来了,角度很小,就像超级弹跳球从水泥墙上反弹回来一样。卢瑟福从这些出乎意料的(de)结果中推断,原子的(de)大部分结构是(shi)虚空的(de),中间有个直径很小的(de)核心区域,是(shi)带正电的(de)原子核。卢瑟福1911年提出的(de)初级原子结构模型与太阳系相似,电子在原子核外绕核作轨道运动。原子核带正电,电子带负电。这一模型完全颠覆了人(ren)们(men)对(dui)于原子的(de)认识。之前人(ren)们(men)认为原子像玻璃球一样,坚实而且不可分割;但是(shi)现在发现,原子主要是(shi)由虚空构成的(de),有着精妙而又复杂的(de)结构。会上,盖革集中讨论了检测α粒子和β粒子的(de)实际操作方法(β粒子如同电子一样,都是(shi)日后发现的(de)粒子)。
当时,年纪轻轻的(de)薛定谔同时供职于埃克斯纳物理研究所和附近的(de)镭研究所,检测放射性物质也成了他(ta)的(de)主要兴趣所在。大会主旨与薛定谔的(de)研究相关,并且地点就选在他(ta)所在的(de)城市,这场会议简直就是(shi)为他(ta)量身定制的(de)。这次大会也让薛定谔有缘见到爱因斯坦这个万众瞩目的(de)嘉宾。薛定谔对(dui)爱因斯坦的(de)不凡成就不仅有所耳闻,而且表现出了相当大的(de)热忱。他(ta)十分好(hao)奇创造了1905奇迹年背后的(de)真人(ren)是(shi)怎样的(de),迫不及待地想一睹这个前专利局技术员的(de)风采。薛定谔从爱因斯坦才华横溢的(de)演讲中受到启发,放弃了枯燥无味的(de)大气辐射测量,转而更加注重基础问题的(de)研究。
塞哈姆(Seeham)是(shi)靠近萨尔茨堡(Salzburg)上特鲁姆湖(Obertrumer)边上的(de)一个村庄,一个月前,薛定谔曾在此记录过大气中镭的(de)衰变产物镭A。薛定谔用收集管和静电计进行过近200次测量,并计算出了大气中镭A含量的(de)变化过程。测量结果表明,即便处于峰值时刻,镭A的(de)辐射量也仅占大气总体辐射量的(de)一小部分,这就有些奇怪了。基于薛定谔以及其他(ta)文献资料提及的(de)数据,科学家们(men)推断,大气中的(de)其他(ta)辐射源,比如γ射线等,构成了剩下的(de)辐射。此举之后,研究者们(men)才开始探索大气中的(de)其他(ta)辐射源。
鉴于薛定谔的(de)研究方向,大会破例允许他(ta)出席了有关放射性物质最新发现的(de)会谈,会谈涉及原子核及其相关领域内容。在其中一次谈话中,来自德国哈勒市的(de)天体物理学家维尔纳·考尔赫斯特(Werner Kolhörster)提到了把装有辐射检测器的(de)气球放飞至数英里高进行检测的(de)实验。会上考尔赫斯特报告说发现了某种“穿透性辐射”在高海拔的(de)地方要比地面上大得多,很明显是(shi)来自外太空,证实了奥地利物理学家维克托·赫斯(Victor Hess)之前的(de)气球飞行检测结果。现在我(wo)们(men)称这种来自地球以外的(de)射线为“宇宙射线”。这一证明使得科学历史学家杰格迪什·梅拉(Jagdish Mehra)和赫尔穆特·雷兴贝格(Helmut Rechenberg)称这次大会是(shi)“宇宙射线的(de)诞生之日”。
维也纳会议对(dui)薛定谔的(de)职业(ye)发展产生了深刻的(de)影响。薛定谔停止了对(dui)放射性的(de)实验性测量,开始转向理论研究,探究物理学的(de)基础性问题。然而,不等薛定谔在原子物理学、引力和其他(ta)展现在他(ta)面前的(de)领域一试身手,命运给他(ta)开了个玩笑。
1914年6月28日,当时继承了奥匈帝国皇位的(de)弗朗茨·费迪南德(Franz Ferdinand)大公(gong)访问了波斯尼亚的(de)萨拉热窝,塞尔维亚激进的(de)民族主义者加夫里洛·普林西普(Gavrilo Princip)开枪刺杀了他(ta)和他(ta)的(de)妻子。一个月之后,第一次世界大战就爆发了。薛定谔接到命令,要他(ta)随军出征。他(ta)在意大利前线忠心履职,做过很多工作,其中包括指挥炮兵。德国参战后站在奥匈帝国一边,爱因斯坦强烈反战,拒绝服兵役。
1917年春天薛定谔回到维也纳,继续为军队(dui)服务(fuwu),与汉斯·瑟林一起从事气象工作。遗憾的(de)是(shi),第一次世界大战将薛定谔的(de)学术事业(ye)拖后了三四年——对(dui)一个年轻的(de)研究者来说,这段时间(shijian)非常之漫长。回到维也纳之后,薛定谔继续从事理论研究和教学工作,竭力弥补错过的(de)那几年。

物质波
1924年9月,两次世界大战之间最重要的(de)科学界大会之一“自然科学家会议”(Naturforscherversammlung)在坐落于阿尔卑斯山山谷之中的(de)奥地利城市因斯布鲁克举办。尽管爱因斯坦没有在会议上发言,但是(shi)他(ta)参加了会议,并且借机与包括普朗克在内的(de)与会人(ren)员针对(dui)量子统计学进行了非正式探讨。
薛定谔也参加了此次的(de)会议。这让他(ta)有机会认识了爱因斯坦和普朗克这两位自己最为尊重的(de)物理学家——当然,他(ta)们(men)也是(shi)世界上最富盛名的(de)物理学家。他(ta)曾经在1913年的(de)维也纳会议上听过爱因斯坦的(de)讲座,也与他(ta)交换过广义相对(dui)论方面的(de)论文,但是(shi)直到这次会议之前,一直没能跟他(ta)当面交谈——至少没有深入交谈。
爱因斯坦和薛定谔在因斯布鲁克的(de)见面不仅是(shi)他(ta)们(men)之间长久又成果丰硕的(de)友谊的(de)开始(一开始两人(ren)的(de)关系颇为正式拘谨,但后来就很近了),而且也是(shi)现代物理学发展史上的(de)关键时刻。会议总结了爱因斯坦在量子统计学领域的(de)贡献,这也激励着薛定谔与他(ta)通信,最终从他(ta)那里了解到了法国物理学家路易·维克托·德布罗意(Louis de Broglie)的(de)物质波动理论。这也启发薛定谔构建(jian)了自己的(de)波动方程——该方程式是(shi)量子力学的(de)关键支柱之一。
薛定谔借在因斯布鲁克开会的(de)机会跟奥地利的(de)同事叙了叙旧(当时他(ta)正在瑞士工作),并有机会呼吸一下山区的(de)新鲜空气。这对(dui)他(ta)很重要,因为三年前,他(ta)曾得了支气管炎,之后又得了肺结核,因此留下了肺病的(de)后遗症。由于他(ta)烟瘾很大,这使他(ta)的(de)呼吸问题进一步恶化。
过去的(de)几年对(dui)于薛定谔来说,真可谓是(shi)跌宕起伏。跟安妮结婚之后,他(ta)变成了十足的(de)流浪学者。尽管他(ta)在维也纳大学获得了一个职位,但从1920年底至1921年底,他(ta)还先后在德国城市耶拿、斯图加特以及布勒斯劳(现为波兰城市弗罗茨瓦夫)任教,每次任教时间(shijian)都很短。薪水是(shi)他(ta)最关注的(de)问题,因为当时通货膨胀开始在德国肆虐。他(ta)自己守寡的(de)母亲曾经是(shi)骄傲的(de)中产阶级,在父亲死后却流离失所,生活窘迫。这一切他(ta)看在眼里,怕在心里。1921年,母亲因为癌症去世。埃尔温决定,要尽量找一个报酬高又安稳的(de)教学岗位安定下来,希望这能够给安妮一个舒适的(de)生活,不再让她(ta)受贫穷之苦。
这样的(de)机会首次出现于那一年年底,当时苏黎世大学正在公(gong)开对(dui)外招聘教师。就这样,瑞士给了埃尔温和安妮一个稳定和平的(de)环境,使他(ta)们(men)逃离了德国和奥地利经济不景气,社会动荡不安的(de)环境。安顿下来之后,他(ta)治疗了自己的(de)支气管炎和肺结核,之后就迅速开始发表一连串的(de)论文,将玻尔兹曼的(de)传统理论拓展至量子领域。
早年在苏黎世时,薛定谔思考的(de)一大问题就是(shi),对(dui)于一种理想气体而言,如何从量子的(de)角度来确定其熵(无序的(de)量)。玻尔兹曼对(dui)熵下的(de)定义是(shi)每一种宏观态下特别的(de)微观态(粒子排列)的(de)数量。不过,如果粒子难以分辨,例如在量子气体中,特别的(de)微观态就会更少。这就像是(shi)我(wo)们(men)在数一堆硬币,每一枚硬币的(de)铸造年份都不一样。如果关注它(ta)们(men)的(de)铸造时间(shijian),就比把它(ta)们(men)看作是(shi)一样的(de)多出来很多的(de)特殊属性。因此,熵的(de)量子估算与传统的(de)测量方式不同。
玻色发表了开创性的(de)、关于光子的(de)论文,随后爱因斯坦又将他(ta)的(de)方法应用扩展到理想气体领域,在此之前,许多科学家一直在困惑:在量子系统中,应该包含哪些因子来表示熵?熵的(de)著名方程包含着一个存在争议的(de)修正项,在玻色之前,没有人(ren)能够完善地解释这个修正项。该修正项用于矫正将玻尔兹曼方程应用于量子气体时出现的(de)问题。但是(shi),并非所有人(ren)都认为这一修正项有其合理性。薛定谔在1924年发表了一篇论文,其中忽略了该修正项,结果对(dui)熵的(de)表达就出现了错误。
鉴于爱因斯坦找到了新的(de)方法,可以说,薛定谔与他(ta)在因斯布鲁克的(de)相遇以及之后两人(ren)的(de)通信,都使薛定谔大开眼界。爱因斯坦的(de)洞察力启发了薛定谔,使他(ta)放弃了自己传统的(de)错误观念,即认为重置粒子总会产生不同微观状态,进而以一种全新的(de)方式思考量子统计学。不过,这些影响是(shi)经过了一段时间(shijian)才起作用的(de)。起初,薛定谔认为,爱因斯坦的(de)计算方法一定存在错误,因为他(ta)的(de)结果和玻尔兹曼的(de)方法得出的(de)结果不同。1925年,在第一次给爱因斯坦写信时,他(ta)就指出了自己想当然地以为爱因斯坦的(de)错误。爱因斯坦耐心地给他(ta)回信,解释了玻色的(de)观点,即光子能够存在相同的(de)量子态。薛定谔根据新的(de)统计数据对(dui)熵的(de)定义做出了修正,并于1925年7月,向普鲁士科学院提交了自己的(de)成果。
理论家无法预测研究论文的(de)哪一部分可能会最吸引人(ren)。有时候,即使是(shi)毫不相干的(de)说法都有可能会引发想象,并引发一系列卓有成效的(de)观点。爱因斯坦的(de)一篇有关量子统计学的(de)论文,引用了德布罗意的(de)成果,这则引用启发了薛定谔,使他(ta)做出了对(dui)科学最伟大的(de)贡献——薛定谔波动力学方程。
物理学家彼得·弗罗因德曾经指出:“如果没有爱因斯坦对(dui)德布罗意研究成果的(de)支持,薛定谔方程式很可能就会更晚一些发现。”

一只猫的(de)怪诞故事
1935年,当量子理论基本尘埃落定之时,原子核理论开始发展起来。薛定谔对(dui)当时的(de)发展很感兴趣,爱因斯坦却基本上未予理睬。他(ta)更愿意拿出精力,让他(ta)年轻时的(de)二重奏成员,即万有引力和电磁学,混合产生新的(de)乐章,而不是(shi)引入一些未经检验的(de)乐器,搞个三重奏或四重奏。因此,到了1930年代中期,他(ta)努力想建(jian)立的(de)统一场论不能再被说成是(shi)“万物之理”,而是(shi)将其中一部分而非全部自然力统一起来的(de)理论。与此同时,爱因斯坦持续对(dui)主流量子方法感到困扰。他(ta)上次见玻尔是(shi)在1930年的(de)索尔维会议上,在那里他(ta)们(men)讨论了不确定性原理。1927年索尔维会议上,爱因斯坦提出了一个思维实验,声称和量子概念互相矛盾,但玻尔经过深思熟虑之后否定了它(ta)。
五年之后,爱因斯坦仍然没有忘记他(ta)和玻尔的(de)辩论。在一系列讨论中,他(ta)对(dui)波多尔斯基以及罗森提出了一些关于量子的(de)见解。那时,爱因斯坦承认了量子力学和关于粒子和原子的(de)实验结果精确吻合。然而,他(ta)向年轻的(de)研究者指出,这不可能是(shi)对(dui)物理实在性的(de)完整描述。
爱因斯坦、波多尔斯基以及罗森之间的(de)谈话,最后产生了“物理实在性的(de)量子力学描述能称得上完整吗?”一文,通常被称为“EPR”,文章由波多尔斯一人(ren)执笔并提交发表。它(ta)于1935年5月15日发表在了《物理学评论》上,在量子学界引起了轩然大波,尤其是(shi)玻尔——他(ta)原以为这场辩论早就结束了。
爱因斯坦的(de)EPR实验帮薛定谔重燃了对(dui)量子测量的(de)某些模糊方面的(de)厌恶。薛定谔重新有了热情,要探索标准观点的(de)不一致性。而反过来,爱因斯坦则发现薛定谔愿意倾听他(ta)的(de)意见。
爱因斯坦在8月份给薛定谔的(de)信中写到,“其实你(ni)是(shi)我(wo)真正喜欢共事的(de)人(ren)……你(ni)看待事物的(de)方式也是(shi)我(wo)喜欢的(de)。”他(ta)觉得几乎其他(ta)所有人(ren)都陷入了新的(de)教条主义,而没有客观地考虑它(ta)暗含的(de)令人(ren)忧虑的(de)内容。毋庸置疑,薛定谔很高兴自己在量子物理学方面成了爱因斯坦的(de)知己。
在同一封信中,爱因斯坦接着描述了有关火药的(de)自相矛盾的(de)情况。经验告诉我(wo)们(men),假设(she)火药是(shi)可燃的(de),就会处于已经爆炸了或者还没爆炸这两种情况中的(de)一种。但爱因斯坦指出,将薛定谔方程运用到代表一堆火药的(de)波函数中,它(ta)会演化成两种可能性的(de)奇怪混合的(de)形式。在同一时间(shijian),火药可以是(shi)爆炸了的(de),也可以是(shi)没爆炸的(de)。
因此,在爱因斯坦看来,通过量子力学语言表达出来的(de)庞大的(de)熟悉的(de)体系能变成怪诞的(de)混合物,它(ta)将互相矛盾的(de)真相和逻辑上前后矛盾的(de)现实结合在了一起。逻辑上的(de)前后矛盾(包括自相矛盾的(de)陈述)推动了奥地利数学家库尔特·哥德尔提出了自己的(de)主张,他(ta)声称希耳伯特的(de)数学体系不完整。
部分基于爱因斯坦的(de)想法,薛定谔精心设(she)计自己关于猫的(de)思维实验,用这样的(de)方法来强调量子测量的(de)模糊性。在8月19日的(de)信中,薛定谔先是(shi)感谢了爱因斯坦对(dui)他(ta)的(de)启发,接着宣布自己提出了“类似于你(ni)的(de)爆炸火药桶”的(de)量子悖论。
薛定谔向爱因斯坦这样描述了自己的(de)假想实验:“将盖革计数器以及可以触发计数器的(de)少量铀放进钢制的(de)密闭空间里,铀量很少以至于在一小时之内计数器记录到或者记录不到核衰变的(de)可能性相同。盒子里有个放大继电器,确保如果原子发生衰变,一个装有氢氰酸(剧毒)的(de)烧瓶会被砸碎。非常残忍的(de)是(shi),一只猫也被放在这个钢制密闭空间里。一个小时之后,在这个体系叠加的(de)函数中,猫处于一半是(shi)死一半是(shi)活的(de)混合状态。”
这意味着,在盒子打开、里面的(de)东西暴露在人(ren)们(men)面前之前,因为铀衰变与不衰变的(de)概率相同,猫被毒死或是(shi)幸免的(de)概率也是(shi)相同的(de)。因此,表现盖革计数器的(de)读数和猫的(de)状态的(de)叠加态波函数会处于奇怪的(de)并列之中,即一半衰变,一半未衰变;一半死了,一半还活着。只有当人(ren)们(men)打开盒子时,叠加态的(de)波函数才会坍缩为两种可能性中的(de)一种。
通过假设(she)直到实验者打开猫所在的(de)盒子为止,一只猫的(de)波函数是(shi)生与死的(de)可能性各占一半,薛定谔突出了一种比爱因斯坦的(de)火药设(she)想更让人(ren)难以置信的(de)情况,以此希望显示出量子力学已经变成了一出闹剧。为什么要用一只猫呢?因为薛定谔喜欢创建(jian)包含熟悉事物(比如家用物品或者宠物)的(de)类比,通过这些更加贴合实际的(de)东西来引出情景的(de)荒谬性。并不是(shi)他(ta)憎恨某种特定的(de)猫科动物——相反,鲁斯回忆说,他(ta)“喜欢动物”——也不是(shi)因为他(ta)想让某只特别的(de)猫名垂千古。
两种事物不论差异多大,不论相距多远,它(ta)们(men)能处于相互关联的(de)状态吗?最初应用于小尺度内电子的(de)波函数形式能被用于描述世界上的(de)一切事物吗?薛定谔认为,将生物的(de)命运和粒子结合在一起的(de)想法是(shi)荒谬可笑的(de)。如果量子力学能应用于能呼吸并发出“喵喵”声的(de)生物,那么它(ta)已经脱离了最初的(de)使命。
爱因斯坦在给薛定谔的(de)回信中热烈地表达了自己的(de)赞成。“你(ni)的(de)猫咪实验显示,我(wo)们(men)完全同意关于对(dui)当前理论的(de)特点的(de)评价。函数包含了活猫和死猫两种状态,但不能视(shi)其为真实状态的(de)描述。”

一只猫潜进文化圈
薛定谔去世时,物理学界对(dui)他(ta)的(de)了解主要是(shi)他(ta)的(de)波动方程,生物学家(还有生物学迷)对(dui)他(ta)的(de)了解主要是(shi)他(ta)的(de)《生命是(shi)什么》。但公(gong)众那时基本上不了解他(ta)的(de)“猫的(de)佯谬”——这个贡献最终成了他(ta)最著名的(de)故事。这一变化是(shi)由于20世纪70年代出版的(de)几部科幻小说,将他(ta)的(de)“量子纠缠故事”带入公(gong)众视(shi)野。
1974年,厄休拉·勒吉恩出版的(de)《薛定谔的(de)猫》是(shi)最早提及这一话题的(de)故事。据她(ta)本人(ren)说,她(ta)是(shi)从“写给农夫的(de)物理学”一文中了解到这个有关量子的(de)思想实验的(de)。“对(dui)于某类科幻小说来说,很明显这是(shi)个绝妙的(de)隐喻。”
随后,其他(ta)作家也创作出了一个又一个异想天开的(de)量子猫的(de)故事。许多故事集中在了平行宇宙和相关主题上。1979年,罗伯特·安东·威尔逊出版了《隔壁的(de)宇宙》,这是(shi)关于可选择的(de)历史这一主题的(de)《薛定谔的(de)猫三部曲》的(de)第一本。罗伯特·海因莱因的(de)《穿墙而过的(de)猫》,1985年出版,想象了通过时间(shijian)旅行看到的(de)全新的(de)现实。那段时期,还有几本科普书探讨了佯谬的(de)含义。紧接着是(shi)一大堆量子动物的(de)小说——以猫为典型,但有时是(shi)其他(ta)动物甚至是(shi)人(ren),困在生与死的(de)模棱两可环境中。
1982年作家塞西尔·亚当斯在他(ta)的(de)“直接情报”专栏发表了一首诗,成为量子猫故事的(de)一部分(尤其后来更是(shi)风靡网络)。诗歌描述了“文”(薛定谔)和“阿尔”(爱因斯坦)之间的(de)一场史诗级的(de)战斗,关乎宇宙的(de)偶然性问题,这一问题带来了“猫佯谬”和“掷骰子”的(de)论说。史诗的(de)结尾是(shi)“文”在“阿尔”的(de)葬礼上打赌,他(ta)到底会不会去天堂。
在文学中大行其道之后,这只怪异的(de)猫又溜进了流行音乐的(de)世界,这是(shi)“惊惧之泪”乐队(dui)的(de)功劳。20世纪90年代早期,乐队(dui)以唱片B面单曲的(de)形式发行了歌曲《薛定谔的(de)猫》(后来他(ta)们(men)又发行了《上帝的(de)错误》,歌词中唱到“上帝不掷骰子”)。歌曲作者罗兰·奥扎宝解释说:“我(wo)的(de)歌……仅仅是(shi)在摸索看待事物的(de)经典科学方法,摸索理性的(de)唯物主义,研究拆开物体后却无法再重组它(ta)们(men)的(de)现象,研究一叶障目而不见森林的(de)现象。歌曲最后,我(wo)写道,‘薛定谔的(de)猫对(dui)世界而言已经死了。’那猫到底死了,还是(shi)只是(shi)睡着了?我(wo)喜欢这份模糊,这份不确定性。”
近年来,薛定谔的(de)猫已经成为一个流行的(de)文化符号。它(ta)被印在T恤上,出现在卡通片里(比如网上流行的(de)连环画Xkcd),还有电视(shi)节目里(《生活大爆炸》和《未来世界展示(zhanshi)》)。提及这只猫的(de)最引人(ren)注目的(de)案例,当属谷歌于2013年8月12日,即薛定谔诞辰126周年纪念日那天,在谷歌搜索引擎页面上放上了猫实验的(de)涂鸦。从这些不同文化对(dui)这只猫的(de)引用来看——即便是(shi)“薛定谔的(de)”这个短语,也被用到各种东西上面——已经成为一种代表“模棱两可”的(de)符号。
本文经授权摘编自《爱因斯坦的(de)骰子和薛定谔的(de)猫》(湖南科技(keji)出版社,2021年2月)
原标题:《成为文化符号的(de)薛定谔丨纪念薛定谔诞辰135周年》
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