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爱因斯坦跟薛丁格怎幺合谋杀死猫咪

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爱因斯坦跟薛丁格怎幺合谋杀死猫咪 

作者|David Kaiser

编译|Mumu Dylan

  1935年奥地利物理学家薛丁格(Erwin Schrödinger)提出了着名的思想实验「薛丁格的猫」(Schrödinger's Cat),以荒谬和有点残忍的案例反驳争论不休的量子力学问题。当时物理界分成了两派:波耳(Niels Bohr)和海森堡(Werner Heisenberg)主张,猫咪身处既死又活的叠加态是大自然的基本特性;而其他像爱因斯坦(Albert Einstein)等人,则坚持认为大自然必须作出抉择,无论猫咪是活还是死并不能同时存在。

  1935年夏天与爱因斯坦的密切对谈和交换想法中,薛丁格建构出这则经典的思想实验。两人的友谊要从1920年代末说起,当时爱因斯坦早已因为提出相对论而声名大噪,比起科学他更常将行程安排在全球议题上,例如跟国际联盟委员会开会或是宣扬犹太复国主义;而薛丁格则在1927年升职为柏林大学教授,并在一年后提出了量子力学的波动方程式(即薛丁格方程式)。由于两人都住在柏林,因此时常见面谈论科学,也会在薛丁格位于维也纳的家中举办派对,或是到爱因斯坦避暑别墅的湖边划船。

  但过没多久,希特勒在1933年初上台成为德国总理,这段美好的交流因而中断。当时正在美国加州拜访学术同仁的爱因斯坦準备回国时,纳粹突袭了他在柏林的公寓和避暑别墅,并冻结了其银行帐户。爱因斯坦迅速做好安排转往纽泽西州普林斯顿居住,并辞去了普鲁士科学院的职务,成为新设立的普林斯顿高等研究院(Institute for Advanced Study)的首批研究人员。

  与此同时,虽然薛丁格不是犹太人,在政治上也比爱因斯坦来得低调许多;但纳粹随即在春天发动的大规模焚书运动,以及将犹太裔教师和官员清出教育体系的举动,让亲眼看着这齣荒谬剧上演的薛丁格,决定接受牛津大学奖学金离开了柏林。八月时,他在旅途中寄给爱因斯坦的信里写道:「不幸的是,最近几个月心情无法平静思索任何学术研究事情。」

爱因斯坦跟薛丁格怎幺合谋杀死猫咪

  藉着这封信件两人再次搭上线,只是从原本悠闲的漫步对谈,换成了跨大西洋的邮政系统。在1933年纳粹破坏以前,两位物理学家早已对量子理论付出了巨大贡献,也先后获得了诺贝尔物理学奖。除此之外,两人也都对同行解释波动方程式的方式逐渐感到失望,而信纸和邮票让他们重拾了热情。

  1935年5月,爱因斯坦与高等研究所的两位年轻同事鲍里斯‧波多尔斯基(Boris Podolsky)和纳森‧罗森(Nathan Rosen)共同发表了着名的「EPR悖论」,他们批评波耳和海森堡提出的「哥本哈根诠释」并不完备。爱因斯坦等人认为,物理对象应包含现实要素(準确数值和性质),然而量子理论却只提供机率。

  在寄给薛丁格的后续信件中,爱因斯坦请他想像将一颗球放进两个相同封闭盒子中的其中一个:在打开任一封闭盒前,在第一个盒子里能找到球的机率是50%。爱因斯坦不认为这是一个完整的论述,并坚持原子领域的合适理论应该能够计算出精确的值,假如只能计算出机率还远远不够。

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  在薛丁格热情回覆的鼓舞下,爱因斯坦更进一步强化了盒中球的比喻。如果物理学家谈论的微观过程放大到宏观尺寸呢?爱因斯坦在八月初写给薛丁格的信中,提出了全新的情景:想像本质不稳定的火药,很可能一年内都不会爆炸;但经过一段时间后情况就变了,火药将处于爆炸与不爆炸的混合状态。爱因斯坦坚持认为,波耳和所有的物理学家都不应接受这种无稽之谈,因为「现实中不存在介于爆炸与未爆炸之间的重叠状态」,大自然必须从两者中择一,而物理学家亦然。

  然而,爱因斯坦本可用其他宏观案例来批评量子的机率描述,但他却特别选择了会造成明显损伤的火药爆炸。这或许是受到了时空环境的影响,为反映出当时欧洲持续恶化的景像。早在1933年4月,爱因斯坦曾写给一位同事描述他对希特勒这类「病态煽动者」上台的看法:「我相信你明白我是多幺确信所有事物之间的因果关係。」而量子就和政治一样;他在给另一位同事的信中提到,他惊恐地观察到「德国人正秘密地大规模重新武装,工厂日夜不停地运作製造(飞机、轻型炸弹、坦克和重武装)」,大量地炸药即将引爆。1935年,爱因斯坦甚至公开放弃先前的和平主义承诺。

  或许是受到与爱因斯坦对话的启发,薛丁格开始着手撰写一篇题为《量子力学的现状》(The present situation in quantum mechanics)的长篇论文。而在收到爱因斯坦描绘火药的信件约十天后,薛丁格用戏剧性的转折取代了火药:一只活生生的猫咪。

  薛丁格在回信里写道:「在密闭地铁容器中放一个盖革计数器和极少量的铀,由于量少以至于在接下来的一小时内,一个原子衰变的机率就和没有衰变的机率相同。当第一个原子衰变发生,盖革计数管放电并透过继电器启动榔头打碎一小瓶氢氰酸。而残忍地是,铁容器内还关着一只猫咪。」爱因斯坦很高兴回应:「你的猫说明了我们观点相同。同时包含活猫与死猫的波函数,是无法当作真实状态的描述。」

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  收到爱因斯坦九月回信的几个月后,薛丁格将这则猫与毒药的比喻刊登在杂誌《自然科学》(Die Naturwissenschaften)上,原本差点没有印刷出版。起因是当薛丁格投稿给杂誌的几天后,创始编辑、犹太裔物理学家阿诺德‧柏林纳(Arnold Berliner)遭到解僱,薛丁格本想撤回稿件以表达抗议,但最后被柏林纳亲自说服。

  薛丁格的担忧不仅只有柏林纳遭受的不公事件,除了毫不掩饰地厌恶纳粹政权,他在被迫逃离柏林途中,甚至变得开始相信宿命论,他在日记里写道:「也许我从这个世界学的还不够多,也许是我还没準备好面对这个世界……」到达牛津大学后,拜访的朋友也注意到他整天郁郁寡欢,并且日复一日惆怅地看着新闻。

  然而,欧洲仍继续深陷在黑暗中。「薛丁格的猫」发表的几年后,同样的毒物氢氰酸(代号为 Zyklon B)被纳粹工程师无情且高效率地应用在毒气室,夺走了数百万的无辜性命。1942年3月,《自然科学》的前编辑柏林纳在关入集中营前选择了自杀;他的生命无法像薛丁格的猫既死又活,最终走向悲惨的确定性。

  从盒中球变成会爆炸的火药,再从火药演变为猫咪的生与死。薛丁格以毒药、死亡和毁灭作为案例并非巧合,面对当时即将到来的世界大战、种族灭绝和德国精神崩坏,薛丁格的猫不仅向世人阐述量子力学的光怪陆离,也反映出那个时代的样貌:原本宽广的世界变得越来越险恶、奇怪且难以理解,而科学家就和普通人一样感到惧怕无助。

参考报导:Nautilus

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