第一推动丛书·物理系列:爱因斯坦的骰子和薛定谔的猫
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可怕的难题

今天,大多数听到“薛定谔”这个名字的人都会立即想到一只猫、一个盒子和一个悖论。他著名的思想实验,是1935年发表的论文的一部分,论文题目是“量子力学的现状”,也是科学史上设计的最可怕的思想实验之一。首次听到这个思想实验的内容,肯定会让人内心发紧,不过在了解到这只是一个假设性的实验,可能从未在任何一只实际的猫科动物上尝试过之后,人们又会大松一口气。

薛定谔在1935年提出了这个思想实验,相关描述出现在他的一篇论文中,文章研究了量子物理学中量子纠缠的后果。纠缠这一术语是由薛定谔创造的,指的是当两个或更多个粒子的条件由单一的叠加量子态表示时,如果一个粒子发生变化,则其他粒子立即受到影响。

通过与爱因斯坦的对话,薛定谔的猫这一难题,把量子物理学所隐含的内容推到了极限:生或死的问题。该实验让我们想象一只猫,其命运与粒子状态纠缠在一起。这只猫被放在存有放射性物质的盒子里,里面还有一个盖革计数器和一瓶密封的毒药。盒子是盖着的,而定时器则精确地设置为合适的间隔,使放射性物质有50%的概率通过释放粒子而产生衰变。研究人员设置好里面的仪器,如果盖革计数器记录到单个衰变粒子,盛有毒药的容器就会被打破,毒药释放出来,猫就会死去。但是,如果没有衰变发生,猫就会幸免。

根据量子测量理论,正如薛定谔指出的那样,猫死亡或活着的状态将与盖革计数器的读数——衰减或不衰减的状态——相互纠缠,直到盒子被打开。因此,猫将处于或生或死的量子叠加态,直到定时器启动,研究人员打开盒子,猫和计数器的量子状态“塌缩”,变成两种可能性中的一种。

从20世纪30年代末到60年代初这段时间里,除了有时作为讲课时的趣事之外,该思想实验很少被提及。例如,哥伦比亚大学教授和诺贝尔奖获得者T.D.李曾跟学生讲过这个故事,以说明量子塌缩的奇怪性质。[3]1963年,普林斯顿的物理学家尤金·魏格纳(Eugene Wigner)在他的一篇关于量子测量的论文中提到了该思想实验,现在被称为“魏格纳的朋友”悖论。

著名哈佛哲学家希拉里·普特南(Hilary Putnam)从物理学家同事那里了解到了这个难题,也是物理界以外第一批分析并讨论薛定谔的猫思想实验的学者之一。[4]他在他经典的1965年的“哲学家眼中的量子力学”一文中描述了它的含义,该文章是一本书中的一个章节。同一年,《科学美国人》的书评提到了该论文,这一术语进入了科普领域。在接下来的几十年中,它被当作模糊性的象征进入文化领域,被许多小说、散文和诗句引用。

虽然那时候公众开始熟悉猫的悖论,但是对于提出它的那位物理学家还不是很清楚。自20世纪20年代以来,爱因斯坦就成了一个偶像,是聪明绝顶的科学家的象征,但人们并不熟悉薛定谔的生平事迹。这里面真是有些讽刺意味,因为人们张口闭口“薛定谔的猫”——包括其中的“模糊”的含义——说的就是他。