愛因斯坦跟薛丁格怎麼合謀殺死貓咪

1935年,奧地利物理學家薛丁格提出了著名的思想實驗「薛丁格的貓」,以荒謬和有點殘忍的案例反駁爭論不休的量子力學問題。 

作者|David Kaiser

編譯|Mumu Dylan

 

  1935年奧地利物理學家薛丁格(Erwin Schrödinger)提出了著名的思想實驗「薛丁格的貓」(Schrödinger's Cat),以荒謬和有點殘忍的案例反駁爭論不休的量子力學問題。當時物理界分成了兩派:波耳(Niels Bohr)和海森堡(Werner Heisenberg)主張,貓咪身處既死又活的疊加態是大自然的基本特性;而其他像愛因斯坦(Albert Einstein)等人,則堅持認為大自然必須作出抉擇,無論貓咪是活還是死並不能同時存在。

 

  1935年夏天與愛因斯坦的密切對談和交換想法中,薛丁格建構出這則經典的思想實驗。兩人的友誼要從1920年代末說起,當時愛因斯坦早已因為提出相對論而聲名大噪,比起科學他更常將行程安排在全球議題上,例如跟國際聯盟委員會開會或是宣揚猶太復國主義;而薛丁格則在1927年升職為柏林大學教授,並在一年後提出了量子力學的波動方程式(即薛丁格方程式)。由於兩人都住在柏林,因此時常見面談論科學,也會在薛丁格位於維也納的家中舉辦派對,或是到愛因斯坦避暑別墅的湖邊划船。

 

  但過沒多久,希特勒在1933年初上台成為德國總理,這段美好的交流因而中斷。當時正在美國加州拜訪學術同仁的愛因斯坦準備回國時,納粹突襲了他在柏林的公寓和避暑別墅,並凍結了其銀行帳戶。愛因斯坦迅速做好安排轉往紐澤西州普林斯頓居住,並辭去了普魯士科學院的職務,成為新設立的普林斯頓高等研究院(Institute for Advanced Study)的首批研究人員。

 

  與此同時,雖然薛丁格不是猶太人,在政治上也比愛因斯坦來得低調許多;但納粹隨即在春天發動的大規模焚書運動,以及將猶太裔教師和官員清出教育體系的舉動,讓親眼看著這齣荒謬劇上演的薛丁格,決定接受牛津大學獎學金離開了柏林。八月時,他在旅途中寄給愛因斯坦的信裡寫道:「不幸的是,最近幾個月心情無法平靜思索任何學術研究事情。」

 

納粹在1933年春天進行的焚書運動。

 

  藉著這封信件兩人再次搭上線,只是從原本悠閒的漫步對談,換成了跨大西洋的郵政系統。在1933年納粹破壞以前,兩位物理學家早已對量子理論付出了巨大貢獻,也先後獲得了諾貝爾物理學獎。除此之外,兩人也都對同行解釋波動方程式的方式逐漸感到失望,而信紙和郵票讓他們重拾了熱情。

 

  1935年5月,愛因斯坦與高等研究所的兩位年輕同事鮑里斯‧波多爾斯基(Boris Podolsky)和納森‧羅森(Nathan Rosen)共同發表了著名的「EPR悖論」,他們批評波耳和海森堡提出的「哥本哈根詮釋」並不完備。愛因斯坦等人認為,物理對象應包含現實要素(準確數值和性質),然而量子理論卻只提供機率。

 

  在寄給薛丁格的後續信件中,愛因斯坦請他想像將一顆球放進兩個相同封閉盒子中的其中一個:在打開任一封閉盒前,在第一個盒子裡能找到球的機率是50%。愛因斯坦不認為這是一個完整的論述,並堅持原子領域的合適理論應該能夠計算出精確的值,假如只能計算出機率還遠遠不夠。

 

愛因斯坦(Albert Einstein)。

 

  在薛丁格熱情回覆的鼓舞下,愛因斯坦更進一步強化了盒中球的比喻。如果物理學家談論的微觀過程放大到宏觀尺寸呢?愛因斯坦在八月初寫給薛丁格的信中,提出了全新的情景:想像本質不穩定的火藥,很可能一年內都不會爆炸;但經過一段時間後情況就變了,火藥將處於爆炸與不爆炸的混合狀態。愛因斯坦堅持認為,波耳和所有的物理學家都不應接受這種無稽之談,因為「現實中不存在介於爆炸與未爆炸之間的重疊狀態」,大自然必須從兩者中擇一,而物理學家亦然。

 

  然而,愛因斯坦本可用其他宏觀案例來批評量子的機率描述,但他卻特別選擇了會造成明顯損傷的火藥爆炸。這或許是受到了時空環境的影響,為反映出當時歐洲持續惡化的景像。早在1933年4月,愛因斯坦曾寫給一位同事描述他對希特勒這類「病態煽動者」上台的看法:「我相信你明白我是多麼確信所有事物之間的因果關係。」而量子就和政治一樣;他在給另一位同事的信中提到,他驚恐地觀察到「德國人正秘密地大規模重新武裝,工廠日夜不停地運作製造(飛機、輕型炸彈、坦克和重武裝)」,大量地炸藥即將引爆。1935年,愛因斯坦甚至公開放棄先前的和平主義承諾。

 

  或許是受到與愛因斯坦對話的啟發,薛丁格開始著手撰寫一篇題為《量子力學的現狀》(The present situation in quantum mechanics)的長篇論文。而在收到愛因斯坦描繪火藥的信件約十天後,薛丁格用戲劇性的轉折取代了火藥:一隻活生生的貓咪。

 

  薛丁格在回信裡寫道:「在密閉地鐵容器中放一個蓋革計數器和極少量的鈾,由於量少以至於在接下來的一小時內,一個原子衰變的機率就和沒有衰變的機率相同。當第一個原子衰變發生,蓋革計數管放電並透過繼電器啟動榔頭打碎一小瓶氫氰酸。而殘忍地是,鐵容器內還關著一隻貓咪。」愛因斯坦很高興回應:「你的貓說明了我們觀點相同。同時包含活貓與死貓的波函數,是無法當作真實狀態的描述。」

 

奧地利物理學家薛丁格(Erwin Schrödinger)。

 

  收到愛因斯坦九月回信的幾個月後,薛丁格將這則貓與毒藥的比喻刊登在雜誌《自然科學》(Die Naturwissenschaften)上,原本差點沒有印刷出版。起因是當薛丁格投稿給雜誌的幾天後,創始編輯、猶太裔物理學家阿諾德‧柏林納(Arnold Berliner)遭到解僱,薛丁格本想撤回稿件以表達抗議,但最後被柏林納親自說服。

 

  薛丁格的擔憂不僅只有柏林納遭受的不公事件,除了毫不掩飾地厭惡納粹政權,他在被迫逃離柏林途中,甚至變得開始相信宿命論,他在日記裡寫道:「也許我從這個世界學的還不夠多,也許是我還沒準備好面對這個世界……」到達牛津大學後,拜訪的朋友也注意到他整天鬱鬱寡歡,並且日復一日惆悵地看著新聞。

 

  然而,歐洲仍繼續深陷在黑暗中。「薛丁格的貓」發表的幾年後,同樣的毒物氫氰酸(代號為 Zyklon B)被納粹工程師無情且高效率地應用在毒氣室,奪走了數百萬的無辜性命。1942年3月,《自然科學》的前編輯柏林納在關入集中營前選擇了自殺;他的生命無法像薛丁格的貓既死又活,最終走向悲慘的確定性。

 

  從盒中球變成會爆炸的火藥,再從火藥演變為貓咪的生與死。薛丁格以毒藥、死亡和毀滅作為案例並非巧合,面對當時即將到來的世界大戰、種族滅絕和德國精神崩壞,薛丁格的貓不僅向世人闡述量子力學的光怪陸離,也反映出那個時代的樣貌:原本寬廣的世界變得越來越險惡、奇怪且難以理解,而科學家就和普通人一樣感到懼怕無助。

 

參考報導:Nautilus

 

 

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