一个不可能的实验“薛定谔的猫”是一个许多人耳熟能详的故事,有些人甚至能够将它完整地背下来波米拉猫的图片。
然而真正能够了解这个故事及其背景的人却并不多波米拉猫的图片,如果你真的希望谁复制这个实验,去抓只猫来试一试的话,那就说明你真的不懂它。
薛定谔并没有打算做这个实验,他甚至不认为这个实验能够成功,因为他阐述的是一个悖论,用了当时科学家们最拿手的思想实验的方式波米拉猫的图片。在薛定谔的猫身上,有强烈的不满,我们甚至能感觉到些许讽刺。
(薛定谔的猫)
量子力学流派的对撞埃尔温·薛定谔是一个伟大的物理学家波米拉猫的图片、概率量子力学——波动力学的创始人,是现代量子力学的主要奠基人之一。薛定谔因他的薛定谔方程获得诺贝尔物理学奖。
薛定谔是一个实在论者,他提出过两条基本原则:一是自然的可理解性原则,二是客观化原则波米拉猫的图片。薛定谔在他的科学研究中也始终坚持这两条原则。正因为如此,它造成了薛定谔与玻尔为首的量子力学哥本哈根学派之间的激烈碰撞。
(哥本哈根学派:玻尔、海森堡与泡利)
我们先来简单介绍一下哥本哈根学派,它是玻尔、海森堡和波恩为首在哥本哈根所创立的学派,代表人物还有大名鼎鼎的泡利、狄拉克等科学家。他们是量子力学理论最后的赢家,因此哥本哈根学派的量子力学观点后来被冠以“正统解释”的帽子(据说是因为反对者都先死了)。但是在一开始,波尔和海森堡的“不确定性原理”还是引发了一大波反对声的。
其中最激烈的两个反对者就是薛定谔和爱因斯坦。薛定谔拎出了猫,而爱因斯坦更是搬出了“上帝”。
(爱因斯坦与薛定谔)
提到薛定谔,就不能不提著名的薛定谔方程,尽管这世上没几个人能看懂,我还是觉得将这几个高大上的方程式贴出来是件很有面子的事情:
(薛定谔方程组)
1926年,薛定谔通过二阶线性偏微分方程组确立了量子波动力学,也一举奠定了自己在量子力学中领导者之一的地位。
薛定谔与玻尔的“对决”同年9月,玻尔邀请薛定谔去哥本哈根讲学,这本来是件愉快的事,但薛定谔却并不快乐,他从下了火车就开始跟玻尔“吵架”,一直吵到玻尔家里,住在玻尔的家里他俩天天吵,每天从早上起床就开始吵,一直吵到深夜。
本来是去做客的,这两个科学家为啥吵起来了呢?为了学术。前面说了薛定谔创立了量子波动力学,他坚定地认为量子力学具有波函数的性质,它应该是连续的。但玻尔却认为量子存在非连续性的跃迁,并且由于“隐变量”的关系,这种跃迁是不可测量的,在你测量它之前永远不知道到底是个什么状态,而一旦你开始测量,它就崩溃了。这一点显然是在挑战波函数的连续性,对于持经典力学观点的薛定谔无论如何也难以接受的。
(玻尔和他的妻子)
就这样吵了几天之后,薛定谔病倒在玻尔家里,玻尔的妻子一边给他端水递药,玻尔还在一旁不停地解释,试图说服薛定谔。你说他这是去讲学呢,还是去洗脑?
当薛定谔回到家后,也许是出于对玻尔老婆照顾的感激,他不再激烈反对“不确定性原理”,但对于哥本哈根派的隐变量解释却始终持批判态度。薛定谔与爱因斯坦联合起来共同对抗玻尔和海森堡的哥本哈根学派,直到炮制出“薛定谔的猫”。
(被玻尔“聊倒”的薛定谔)
“薛定谔的猫”实验中,假设了两个要素:一是由核衰变释放粒子控制的电子开关和毒药,另一个是不知死活的猫。薛定谔希望利用这个思想实验中的不确定条件暗讽哥本哈根学派“隐变量”的不确定性,从而指出这是一个悖论。因为实验中的猫除了“死”与“活”两种状态外,还有一个“不死不活”的状态,因为你永远不能确定它的死活。而量子现象恰恰会处于某种混沌的状态,你不能预测它,这让薛定谔这样的科学家很恼火。
(薛定谔和他的猫)
爱因斯坦也一样,那个“上帝不会掷色子”就是爱因斯坦面对量子现象不确定性问题时的错愕与愤怒。他听懂了量子理论,但不能接受这种解释。爱因斯坦喜欢薛定谔方程及波函数的确定性,他至死都不认可还有“不死也不活状态”的猫。
思想实验最后说一说思想实验。与今天的物理学家们严重依赖价值数百亿美元的强子对撞机不同,十九、二十世纪的科学家们大量采用的是思想实验,他们在头脑中构筑起思想机器、用精密的逻辑和思维来驱动微观粒子、用美妙的数学来计算、用简洁优美的公式来告诉人们结论。当爱因斯坦还是瑞士伯尔尼专利局的小职员时,他根本没有条件去测量天体,但他却通过思想实验创立狭义相对论与广义相对论。同样的,薛定谔也用他精确的方程组创立了量子力学的半壁江山。
(那个时代的科学巨匠们)
对于科学,科学家们一直在不停地探索,而我们这些吃瓜群众要做的,不仅是认可他们的工作,还应该学会以科学的态度去看待科学。即便是质疑,你也应提出自己的观点,将它拿出来讨论,就像薛定谔做的那样。
质疑决不是没头没脑地来一句:“你这是胡扯!”然后拍屁股走人。
当然,你需要有知识。
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