一隻又死又活的貓——薛定諤的波函數

09-23

在探索量子世界的神秘性質時,海森堡發現瞭 " 測不準原理 ":對於微小世界的基本粒子來說,你不能同時測量它的位置和能量。就在這個時期,奧地利物理學傢薛定諤另辟蹊徑,找到瞭通往量子力學的另一條道路。

這條道路是由愛因斯坦開創的,它更加充滿戲劇性。1905 年,愛因斯坦提出瞭光量子假說,之後在 1909 年又發現瞭光的波粒二象性;1923 年,德佈羅意發展瞭愛因斯坦的思想,提出瞭物質波假說,認為一切物質都具有波粒二象性;最後,薛定諤於 1926 年找到瞭物質波所滿足的運動方程,從而建立瞭量子力學的波動形式。

你我的身體裡都有波

法國物理學傢德佈羅意於 1892 年出生於一個貴族世傢,他年輕時是一個花花公子,整天混跡於燈紅酒綠的巴黎上流社會。時間一轉就到瞭 1919 年,這是一個科學界急劇動蕩著的年代。就在這一年,德佈羅意突然移情別戀對物理產生瞭興趣,尤其是感興趣於當時正流行的量子論,具體來說就是感興趣於一個在當時很酷的觀點:光既有波動性也有粒子性。

這個觀念是愛因斯坦 1905 年提出來的,但當時並沒有得到更多承認,長期受到以玻爾為代表的原子物理學主流派的懷疑與批評。而德佈羅意卻對這種既是波又是粒子的奇特想法抱著濃厚的興趣,他從光的波粒二象性想到:是不是所有的物質都具有波粒二象性呢?

德佈羅意的腦海裡浮現出一個奇妙的關系連環:根據相對論,物質粒子具有質量,質量就是能量;有能量必有頻率;有頻率必有脈動。因此,粒子具有脈動性。這裡,物質和波彼此相通。德佈羅意由此提出瞭革命性的物質波概念。

在物質波理論提出之前,一個天經地義的觀念是:一個東西要麼是波,要麼是粒子。因為在經典物理理論中,波是連續的空間波動,而粒子則是一個個小小的實體,在整個空間彌散的波怎麼能同時又集中於空間的一點呢?這實在讓人感到不可思議!此時,雖說光的波粒二象性概念已經建立,但僅僅一個光子的波動特性已足以令人費解,若是電子這種實物粒子也真的具有波動特性,那豈不是自然界中所有物體都有這種特性?

薛定諤名動天下

現在輪到薛定諤出場瞭。薛定諤與許多偉大的物理學傢有一點不同,他是 38 歲才成名,屬於大器晚成型。

薛定諤 1887 年 8 月 12 日生於維也納。他的父親是一位生產漆佈的手工業主。他的才華在傢庭教師開始教他小學課程時就顯露出來瞭,中學以後,他特別喜愛數學、物理,也喜愛古老語法的嚴謹邏輯,還十分擅長寫作詩歌。1906 年進維也納大學物理系,1910 年,獲得瞭博士學位。

1921 年,當年輕氣盛的海森堡在哥廷根披荊斬棘的時候,薛定諤已經是瑞士蘇黎世大學頗有資歷的教授瞭,但他並沒有海森堡那麼好的運氣——能夠在一個充滿瞭頂尖精英人物的環境裡求學,反而是幾次在戰爭中的服役阻礙瞭他的學術研究。但不管怎樣,薛定諤的物理天才仍然得到瞭很好的展現,他在光學、電磁學、分子運動理論、固體和晶體的動力學方面都作出過突出的貢獻,這一切使得他成為蘇黎世大學很有名望的物理教授。

和玻爾還有海森堡他們不同,薛定諤並不想在原子那極為復雜的譜線迷宮裡奮力沖突,撞得頭破血流。他的靈感直接來自於德佈羅意那巧妙絕倫的工作。1923 年,德佈羅意的研究揭示出,伴隨著每一個運動的電子,總是有一個如影隨形的 " 相波 "。

在吸收瞭德佈羅意的思想後,薛定諤決定把它用到原子體系的描述中去。我們都已經知道,原子中電子的能量不是連續的,它由原子的分立譜線而充分地證實。為瞭描述這一現象,玻爾強加瞭一個 " 分立能級 " 的假設,海森堡則運用他那龐大的矩陣,經過復雜的運算後導出瞭這一結果。現在輪到薛定諤瞭,他說,不用那麼復雜,也不用引入外部的假設,隻要把我們的電子看成德佈羅意波,用一個波動方程去表示它,那就行瞭。

1926 年,薛定諤在《物理學紀事》上連續發表瞭 6 篇論文,就此宣佈瞭量子力學的第二種形式——波動力學的誕生。在薛定諤的理論中,電子的運動狀態由一個神秘的波函數來描述,它隨時間的變化遵循一個連續的波動方程,這個方程後來被稱為薛定諤方程。

薛定諤的波動方程要比海森堡的矩陣力學更加簡明易懂,薛定諤得出它的波動方程僅在海森堡的矩陣力學誕生一年之後,倘若薛定諤在 1925 年之前就導出波動方程,那恐怕矩陣力學就根本不可能誕生瞭,因為矩陣在當時太深奧難懂瞭,沒多少人喜歡。

從此,年近 40 的薛定諤名揚天下。

貓的幽靈逼迫著

所有物理學傢

薛定諤的波動方程建立之後,迅速為物理學界所接受,自那以後,物理學傢們就廣泛地討論起神秘的波函數來。在薛定諤的理解中,他甚至認為波是更根本的實在,而粒子則是一種派生的東西。

波函數的奇妙性就在於它的隨機性。在宏觀世界中,隻要知道物體的受力情況、它的位置以及開始時間等初始條件,那麼它在以後任一瞬間的位置和速度就完全確定瞭。例如我們發射一顆人造衛星後,不僅知道它的運行情況,而且還可以把它從天上收回來。但微觀世界卻不是這樣,電子等微觀粒子的狀態,卻是用一個表示波動的函數來表達,並且這還不是普通的波,而是按幾率變化的波。在粒子世界中,對一切事件我們所能說的,隻能是以什麼幾率出現,若用波函數來描述的話,我們發射一顆子彈,隻能說它射中靶上某一點的可能性有多大,而不能說它 " 一定 " 能射中某一點。

這種幾率波的概念在我們日常世界中是很荒謬的,薛定諤於 1935 年設想瞭一個叫做 " 薛定諤貓 " 的實驗,實驗內容如下:把一隻貓關在一個鋼盒內,盒中裝有不受貓直接幹擾的如下量子設備:在計數器中,有很小很小的一塊輻射物質,在 1 小時內,或許隻有一個原子核衰變,或許連一個原子核衰變也沒有,兩者的幾率是相同的,各為 50%。假如輻射物質的原子核發生衰變的話,計數器就會放電並且通過某個機關拋出一個錘,擊碎一個裝有劇毒物質氫氰酸的小瓶,從而毒死盒內的貓。讓這個系統獨立存在一個小時的話,我們會這樣說,若沒有原子核衰變,貓就是活的,隻要有一個原子核衰變,貓就是死的。

我們自己心裡十分清楚,那隻貓是非死即活的,兩者必居其一。可是,按照量子力學規則,在我們向裡面觀察之前,輻射樣品既是衰變的,又是不衰變的;毒藥瓶既不被打破,又被打破;貓既是死的,又是活的;既不是活的,也不是死的。

黑箱裡的貓是死還是活無人能知,盒內整個系統處於兩種態的迭加之中,一態中有活貓,另一態中有死貓,因此我們隻能宣佈此貓不死不活,或者又死又活。

想象一個基本粒子既不在這裡又不在那裡,而是以一定的幾率在空間分佈著,這是可以理解的。然而作為一隻活蹦亂跳被關進箱裡的貓,當然既不能不死不活,也不能又死又活——這顯然是個謬論,但在觀察者打開黑箱,探眼去看之前,這個謬論居然一直存在著!迭加態不肯消失。難怪許多科學傢對此怒氣沖沖,認為這隻狡猾的貓簡直褻瀆瞭科學的神聖,物理學一向表現出的確定性被粉碎,成瞭一場猜謎遊戲。

量子幽靈與平行宇宙

薛定諤的貓的佯謬其實證明瞭一個真理,那就是宏觀世界與量子世界是迥然不同的。直到目前為止,牛頓創建的經典物理體系,在宏觀世界(即人類肉眼所及、常識上大於原子、小於日地距離的世界)還是普遍適用的。一旦進入微觀的量子世界,人們除瞭驚駭與好奇,簡直隻能走上神秘主義道路!量子力學的先驅尼爾斯 • 玻爾曾經指出:誰不為量子力學所震驚,誰就不懂量子理論。

薛定諤的貓還帶來一個多宇宙的假設。這個假設認為,所有可能的量子世界都同樣的實在,而且是平行存在的。一旦進行一次測量來測定,比如說,貓是死是活,那麼,世界就一分為二瞭,在一個世界裡,箱子被打開後,貓是活的;在另一個世界裡,箱子被打開後,貓是死的。兩個世界都同樣實在,也都有觀察貓的人,然而,兩個世界並不連通,每一個世界的居住者都隻能察覺他們自己所在的宇宙。

如果存在其它的世界,也許在我們的世界發生的故事,在其它的世界中同時上演著千種版本:

曹操刺殺董卓未遂,反被呂佈所殺——根本就沒有什麼赤壁大戰、三國演義。

希特勒這個潦倒的青年考上瞭維也納大學學美術,從此成為一名畫傢而非戰爭狂人——數千萬猶太人得救瞭!

小佈什以幾票之差在競選總統中敗北——現在大打出手的對伊戰爭成瞭杞人憂天!

…………

但我們這個世界的人們並不能享受歷史改寫帶來的好處,如避免瞭大戰,因為本宇宙與它平行,他們隻管樂他們的,平行宇宙相互間永遠不可到達!就像火柴熄滅後的小女孩,面對她的不是祖母和烤鵝,而是現實中雪夜陰冷的高墻。因此多宇宙假設被嘲笑為不可檢驗的——如果我們永遠被局限在某一個宇宙,我們怎樣才能證實或否定所有其他宇宙的存在呢?

薛定諤的後期歲月

薛定諤用他那個又死又活的貓創造瞭一個迷宮般的世界,但他自己卻一直真實地生活著。1933 年,薛定諤對於納粹政權迫害傑出科學傢的倒行逆施深為憤慨,棄職移居英國牛津,在馬格達倫學院任訪問教授。就在這一年,他與另一位量子力學貢獻者狄拉克共同獲得諾貝爾物理學獎。

1936 年冬,薛定諤回到奧地利的格拉茨。奧地利被納粹德國吞並後,他陷入瞭十分不利的處境。1938 年 9 月,在友人的幫助下,又流亡到英國牛津。1939 年 10 月轉到愛爾蘭。愛爾蘭為薛定諤建立瞭一個高級研究所,他專心致志地在那裡從事瞭 17 年研究工作,不僅進一步研究瞭波動力學,還長期探索瞭統一場論、宇宙論等問題。薛定諤每年在都柏林主持 " 夏季講座 ",與各國同行討論交流,在那裡他發表的《生命是什麼》(1948 年出版),用熱力學、量子力學、化學理論解釋生命現象的本質,引進瞭負嫡、遺傳密碼、量子躍遷式突變等概念,成為今天蓬勃發展的分子生物學的先驅。

1956 年,他 70 歲時返回維也納大學物理研究所,獲得奧地利政府頒發的第一屆薛定諤獎。1961 年 1 月 4 日病逝於阿爾卑包赫山村。

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