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一隻又死又活的貓——薛定諤的波函數

在探索量子世界的神秘性質時, 海森堡發現了“測不准原理”: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, 奧地利物理學家薛定諤另闢蹊徑, 找到了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, 愛因斯坦提出了光量子假說, 之後在1909年又發現了光的波粒二象性;1923年, 德布羅意發展了愛因斯坦的思想, 提出了物質波假說, 認為一切物質都具有波粒二象性;最後, 薛定諤於1926年找到了物質波所滿足的運動方程, 從而建立了量子力學的波動形式。

你我的身體裡都有波

法國物理學家德布羅意於1892年出生于一個貴族世家, 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。 時間一轉就到了1919年, 這是一個科學界急劇動盪著的年代。 就在這一年, 德布羅意突然移情別戀對物理產生了興趣,

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。 而德布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?

德布羅意的腦海裡浮現出一個奇妙的關係連環:根據相對論, 物質粒子具有品質, 品質就是能量;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。 德布羅意由此提出了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了。 薛定諤與許多偉大的物理學家有一點不同, 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布的手工業主。

他的才華在家庭教師開始教他小學課程時就顯露出來了, 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, 獲得了博士學位。

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了, 但他並沒有海森堡那麼好的運氣——能夠在一個充滿了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了他的學術研究。 但不管怎樣, 薛定諤的物理天才仍然得到了很好的展現, 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複雜的譜線迷宮裡奮力衝突, 撞得頭破血流。 他的靈感直接來自于德布羅意那巧妙絕倫的工作。 1923年, 德布羅意的研究揭示出, 伴隨著每一個運動的電子, 總是有一個如影隨形的“相波”。

在吸收了德布羅意的思想後, 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。 為了描述這一現象, 玻爾強加了一個“分立能級”的假設, 海森堡則運用他那龐大的矩陣, 經過複雜的運算後匯出了這一結果。 現在輪到薛定諤了, 他說, 不用那麼複雜, 也不用引入外部的假設, 只要把我們的電子看成德布羅意波, 用一個波動方程去表示它,那就行了。

1926年,薛定諤在《物理學紀事》上連續發表了6篇論文,就此宣佈了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年之前就匯出波動方程,那恐怕矩陣力學就根本不可能誕生了,因為矩陣在當時太深奧難懂了,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

所有物理學家

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,物理學家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,只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了。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,只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,只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年設想了一個叫做“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干擾的如下量子設備:在計數器中,有很小很小的一塊輻射物質,在1小時內,或許只有一個原子核衰變,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,只要有一個原子核衰變,貓就是死的。

我們自己心裡十分清楚,那只貓是非死即活的,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,因此我們只能宣佈此貓不死不活,或者又死又活。

想像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。難怪許多科學家對此怒氣衝衝,認為這只狡猾的貓簡直褻瀆了科學的神聖,物理學一向表現出的確定性被粉碎,成了一場猜謎遊戲。

量子幽靈與平行宇宙

薛定諤的貓的佯謬其實證明了一個真理,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,人們除了驚駭與好奇,簡直只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,世界就一分為二了,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只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,反被呂布所殺——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了維也納大學學美術,從此成為一名畫家而非戰爭狂人——數千萬猶太人得救了!

小布希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了杞人憂天!

…………

但我們這個世界的人們並不能享受歷史改寫帶來的好處,如避免了大戰,因為本宇宙與它平行,他們只管樂他們的,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牆。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了一個迷宮般的世界,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家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併後,他陷入了十分不利的處境。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了一個高級研究所,他專心致志地在那裡從事了17年研究工作,不僅進一步研究了波動力學,還長期探索了統一場論、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,引進了負嫡、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日病逝于阿爾卑包赫山村。

用一個波動方程去表示它,那就行了。

1926年,薛定諤在《物理學紀事》上連續發表了6篇論文,就此宣佈了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年之前就匯出波動方程,那恐怕矩陣力學就根本不可能誕生了,因為矩陣在當時太深奧難懂了,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

所有物理學家

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,物理學家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,只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了。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,只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,只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年設想了一個叫做“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干擾的如下量子設備:在計數器中,有很小很小的一塊輻射物質,在1小時內,或許只有一個原子核衰變,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,只要有一個原子核衰變,貓就是死的。

我們自己心裡十分清楚,那只貓是非死即活的,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,因此我們只能宣佈此貓不死不活,或者又死又活。

想像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。難怪許多科學家對此怒氣衝衝,認為這只狡猾的貓簡直褻瀆了科學的神聖,物理學一向表現出的確定性被粉碎,成了一場猜謎遊戲。

量子幽靈與平行宇宙

薛定諤的貓的佯謬其實證明了一個真理,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,人們除了驚駭與好奇,簡直只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,世界就一分為二了,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只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,反被呂布所殺——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了維也納大學學美術,從此成為一名畫家而非戰爭狂人——數千萬猶太人得救了!

小布希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了杞人憂天!

…………

但我們這個世界的人們並不能享受歷史改寫帶來的好處,如避免了大戰,因為本宇宙與它平行,他們只管樂他們的,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牆。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了一個迷宮般的世界,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家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併後,他陷入了十分不利的處境。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了一個高級研究所,他專心致志地在那裡從事了17年研究工作,不僅進一步研究了波動力學,還長期探索了統一場論、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,引進了負嫡、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日病逝于阿爾卑包赫山村。

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