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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量子研究的战友

爱因斯坦曾经是薛定谔在柏林期间的一位同事和密友,一直都支持薛定谔,而且乐于与他谈论他们在物理和哲学上的共同兴趣。他们共同对抗一个恶棍:纯粹的随机性,这是自然秩序的对立面。

在斯宾诺莎和叔本华的著作中,统一的原则是意志的力量,将自然界中的所有东西联系在一起。爱因斯坦和薛定谔都曾熟读这两位哲学家及其他哲学家的作品,两人都不喜欢将模糊性和主观性纳入宇宙的任何基本描述中。虽然两人在量子力学的发展中都发挥了重要作用,但是他俩都认为这个理论是不完整的。虽然他们认识到了量子力学理论在实验方面的成功,但是他们认为,进一步进行理论研究,会揭示一个永恒的、客观的现实。

他们的联盟因为玻恩对薛定谔波动方程的重新诠释而得以巩固。薛定谔提出该方程的本意,是对有形物质波的连续行为提出模型,表示出电子进出原子的状态。麦克斯韦构造了确定性的方程,将光描述为在空间传播的电磁波。与之类似,薛定谔希望自己的方程能详细描述物质波的稳定流动。因此,他希望能解释电子的所有物理性质。

玻恩破坏了薛定谔描述的确定特性,用概率波代替了物质波。概率波不需要直接测量其物理性质,而需要通过对概率波值进行数学运算来计算出来。这样,他把薛定谔的方程与海森伯的不确定性原理融合在了一起。海森伯提出,“我们无法同时精确地测量某些成对的物理量,如位置和动量(质量乘以速度)”。他在他著名的不确定性原理中写入了这样的量子模糊性:一个研究者测量一个粒子的位置越是精确,他对其动量所知就越少——反之亦然。

薛定谔急切地想提出描述电子和其他粒子的实质的模型,而不仅仅是它们的可能性,他批评海森伯、玻恩的方法存在不可捉摸的因素。他同样也避开了玻尔的量子学说,即所谓的“互补性”,该学说认为量子或是显示波动性质,或是显示粒子性质,这取决于实验者选择使用何种测量仪器。他反驳说,自然应该是可视的,不是一个带有隐匿的工作机制的神秘的黑匣子。

由于玻恩、海森伯和玻尔的观念在物理界被广泛接受,最后相融形成了所谓的“哥本哈根诠释”,也就是正统的量子观,爱因斯坦和薛定谔自然成了盟友。两个人在晚年都希望找到一种统一场论,填补量子物理学中的空隙,把自然力结合到一起。通过扩展广义相对论来包括所有的自然力,这样的理论将会以纯几何取代物质——实现毕达哥拉斯学派所说的“一切都是数”的梦想。

阿尔伯特·爱因斯坦晚年的肖像

感谢新罕布什尔大学,洛特·雅各比收藏,以及AIP Emilio Segre视觉档案馆提供,由杰拉尔德·霍尔顿(Gerald Holton)捐赠

薛定谔的确应该感激爱因斯坦。爱因斯坦1913年的一个讲座,激发了他探求物理学基本问题的兴趣。爱因斯坦1925年发表的一篇论文引用了法国物理学家路易·德布罗意的物质波概念,启发了薛定谔,让他建立了控制这种波的行为的方程式。这个方程为薛定谔赢得了诺贝尔奖,而提名人中就有爱因斯坦。爱因斯坦还支持他被聘任为柏林大学教授,并且成为普鲁士科学院院士。爱因斯坦热情邀请薛定谔到他定居的卡普特度假屋,并通过书信继续为他提供指导。由爱因斯坦和他的助手鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和内森·罗森(Nathan Rosen)提出的EPR思想实验解释了量子纠缠的模糊的方面,此外爱因斯坦还提到了一个关于火药的量子悖论思维实验,这些启发了薛定谔,让他提出了猫的悖论。最后,薛定谔在寻求统一的过程中提出的想法,实际上是爱因斯坦提出的建议的变形版本。他们经常书信联络,讨论调整广义相对论的方法,使其在数学上具有足够的灵活性,以涵盖引力以外的其他力。