偶像和競爭者

這是兩位輝煌的物理學家的故事，1947年的媒體戰爭曾破壞過他們幾十年的友誼，以及科學合作和發現的脆弱本性。

二人產生齟齬時，各自都已是諾貝爾獎獲得者，且已是人到中年，已經過了研究的高峰期。然而國際新聞界對兩個人的故事講得都不相同。這是一個大家都熟悉的情節：一位久經沙場的老兵，仍然很強大，面對一個正在崛起的渴望奪取獎杯的競爭者。阿爾伯特·愛因斯坦 （Albert Einstein）聲譽卓著——他的每一個聲明都會有媒體報道；相比之下，很少有讀者熟悉奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤的研究成果。

關注愛因斯坦職業生涯的人都知道，他在統一場理論上已經進行了數十年的研究。他希望延續19世紀英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 （James Clerk Maxwell）的工作，通過一個簡單的方程組把自然界的力結合在一起。麥克斯韋提出了對于電力和磁力統一解釋，稱為電磁場，并將電磁波和光波等同視之。愛因斯坦自己提出的廣義相對論將引力描述為時空的幾何翹曲。該理論得到了驗證，他聲名大振。不過，他不想停止不前。他的夢想是將麥克斯韋的結果納入廣義相對論的擴展形式，從而使電磁與引力統一起來。

▲圖1 ：阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）

每隔幾年，愛因斯坦都會宣布一個統一論，引來眾人關注，但是卻又會靜悄悄地失敗，并被另一個理論所替代。從1920年代末開始，他的主要目標之一是針對尼爾斯·玻爾、沃那·海森堡、馬克斯·博恩等人建立的概率量子理論，提出一種確定性的替代理論。雖然他意識到量子理論在實驗上是成功的，但他認為量子理論是不完整的。在他的心里，他覺得“上帝不擲骰子”，這是對這個問題的一種理想的機械主義創世論的表述。他所說的“上帝”，是指17世紀荷蘭哲學家巴魯赫·斯賓諾莎 （Baruch Spinoza）所描述的神：可能存在的最好的自然秩序的象征。斯賓諾莎認為，上帝與自然同義，他是不變的，永恒的，不留給機會任何余地。愛因斯坦贊同斯賓諾莎的看法，試圖尋求控制自然機制的不變規則。他堅定不移地要證明，世界是絕對確定的。

1940年代，在納粹吞并奧地利之后，薛定諤流亡愛爾蘭，他也贊同愛因斯坦對量子力學的正統解釋的鄙視，把他看作是一個自然的合作者。類似地，愛因斯坦也覺得薛定諤的觀點跟自己的很相符。在二人相互交換了對力的統一的想法之后，薛定諤突然宣布取得了成功，這引起了世人的關注，也讓他和愛因斯坦的友誼出現了裂痕。

▲圖2： 埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）

大家可能聽說過“薛定諤的貓”——這是他提出的著名的涉及貓科動物的思維實驗。但是，當二人產生齟齬的那段時間，物理界以外，還很少有人聽說過他所說的這個有關貓的寓言。新聞界把他描繪成一個居住在都柏林的雄心勃勃的科學家，而且他可能已經擊敗了偉大的愛因斯坦。

最早宣布這一消息的是《愛爾蘭新聞》，從該報紙的報道中，國際社會得知了薛定諤所發出的挑戰。薛定諤給媒體發去了一個長篇新聞稿，描述了他新提出的“萬物理論”，而且毫不謙虛地將自己的成果與希臘圣人德謨克利特 （發明“原子”這個詞的人）、羅馬詩人盧克來修、法國哲學家笛卡爾、斯賓諾莎和愛因斯坦本人的等量齊觀。

薛定諤說：“科學家宣傳自己的發現并不是一件很恰當的事。但是既然新聞界希望了解，我就把新聞稿給他們了。 i”

《紐約時報》將這一宣布描述為特立獨行者的神秘方法與缺乏進步的現有權威之間的戰斗。“薛定諤如何取得了進展，我們不得而知”，報道中說。 ii

很短的一段時期內，在探究解釋宇宙中的一切的理論這件事上，一個原來名不見經傳的維也納物理學家，似乎擊敗了偉大的愛因斯坦。也許是時候了——疑惑的讀者可能會這么想——更好地了解一下薛定諤。

可怕的難題

今天，大多數聽到“薛定諤”這個名字的人都會立即想到一只貓、一個盒子和一個悖論。他著名的思想實驗，是1935年發表的論文的一部分，論文題目是“量子力學的現狀”，也是科學史上設計的最可怕的思想實驗之一。首次聽到這個思想實驗的內容，肯定會讓人內心發緊，不過在了解到這只是一個假設性的實驗，可能從未在任何一只實際的貓科動物上嘗試過之后，人們又會大松一口氣。

薛定諤在1935年提出了這個思想實驗，相關描述出現在他的一篇論文中，文章研究了量子物理學中量子糾纏的后果。糾纏 （Entanglement）這一術語是由薛定諤創造的，指的是當兩個或更多個粒子的條件由單一的疊加量子態表示時，如果一個粒子發生變化，則其他粒子立即受到影響。

通過與愛因斯坦的對話，薛定諤的貓這一難題，把量子物理學所隱含的內容推到了極限：生或死的問題。該實驗讓我們想象一只貓，其命運與粒子狀態糾纏在一起。這只貓被放在存有放射性物質的盒子里，里面還有一個蓋革計數器和一瓶密封的毒藥。盒子是蓋著的，而定時器則精確地設置為合適的間隔，使放射性物質有50：50的幾率通過釋放粒子而產生衰變。研究人員設置好里面的儀器，如果蓋革計數器記錄到單個衰變粒子，盛有毒藥的容器就會被打破，毒藥釋放出來，貓就會死去。但是，如果沒有衰變發生，貓就會幸免。

▲圖3： 薛定諤貓實驗（圖片來源：wikipedia）

根據量子測量理論，正如薛定諤指出的那樣，貓死亡或活著的狀態將與蓋革計數器的讀數——衰減或不衰減的狀態——相互糾纏，直到盒子被打開。因此，貓將處于僵尸般的或生或死的量子疊加態，直到定時器啟動，研究人員打開盒子，貓和計數器的量子狀態“塌縮”，變成兩種可能性中的一種。

1930年代末到1960年代初這段時間里，除了有時作為講課時的趣事之外，該思想實驗很少被提及。例如，哥倫比亞大學教授和諾貝爾獎獲得者T.D.李曾跟學生講過這個故事，以說明量子塌縮的奇怪性質 iii。1963年，普林斯頓的物理學家尤金·魏格納 （Eugene Wigner）在他的一篇關于量子測量的論文中提到了該思想實驗，現在被稱為“魏格納的朋友”悖論。

著名哈佛哲學家希拉里·普特南 （Hilary Putnam）從物理學家同事那里了解到了這個難題，也是物理界以外第一批分析并討論薛定諤的貓思想實驗的學者之一 iv。他在他經典的1965年的“哲學家眼中的量子力學”一文中描述了它的含義，該文章是一本書中的一個章節。同一年，《科學美國人》的書評提到了該論文，這一術語進入了科普領域。在接下來的幾十年中，它被當作模糊性的象征進入文化領域，被許多小說、散文和詩句引用。

雖然那時候公眾開始熟悉貓的悖論，但是對于提出它的那位物理學家還不是很清楚。自1920年代以來，愛因斯坦就成了一個偶像，是聰明絕頂的科學家的象征，但人們并不熟悉薛定諤的生平事跡。這里面真是有些諷刺意為，因為人們張口閉口“薛定諤的”——包括其中的“模糊”的含義——說的就是他。

對統一論的爭論

許多物理學家在自己的職業生涯中，集中研究的是關于自然界特定方面的非常具體的問題。他們看到的是樹木，而不是森林。愛因斯坦和薛定諤的目標則更廣闊。兩人基于自己所讀過的哲學，都相信自然有一個宏偉的藍圖。他們年輕時的學術經歷讓他們有了重要的發現——愛因斯坦的相對論和薛定諤的波動方程，這些發現揭示了答案的一部分。受到這種部分解決方案的誘惑，他們希望找到能夠解釋一切的理論，來完成他們畢生的目標。

但是，就像宗教上的派別之爭一樣，對于前景的微小差異也可能導致重大沖突。薛定諤操之過急，以為他奇跡般地發現了愛因斯坦不知何故忽略了的線索。他的錯誤的頓悟，再加上他的學術地位給他帶來的要表現得更優異的壓力，讓他在獲得足夠的證據證實自己的理論之前，就按耐不住要往前沖。

他們的沖突是有代價的。從那時起，他們的宇宙統一夢想受到了個人沖突的影響。他們浪費了兩人生命中的一段時間，這段時間里，他們本可以在友好對話中，全面地討論宇宙中可能的發條機制。意外打破了他們用決定性取代隨機性的決心。對于能夠完整地解釋其運作機制的理論，宇宙在等待了數十億年的時間之后，還必須繼續耐心地等下去，但是兩位偉大的思想家，卻失去了轉瞬即逝的機會。

i 埃爾溫·薛定諤，“新的場論”。

ii “統一宇宙”，《紐約時報》，1947年2月16日。

iii 艾利休·盧布金，“薛定諤的貓”，《國際理論物理學雜志》，第18卷，第8期，1979年，第520頁。

iv Hillary Putnam，與本書作者的私人通信，2013年8月4日。

書名：愛因斯坦的骰子和薛定諤的貓

?♂? 作者：[美]保羅?哈爾彭 [譯]徐彬 陳楠

內容簡介

當量子力學的不確定性推翻了牛頓的有序世界之時，愛因斯坦和薛定諤正處在這場物理學革命的最前沿。不過，他們二人對于量子力學的標準解釋都不滿意，愛因斯坦說了一句非常有名的話“上帝不會擲骰子”，而薛定諤則創造了著名的有關貓的故事，它既不是活的，也不是死的——這不是用來解釋量子力學，而是要突出顯示這一誤入歧途的理論是多么荒謬。在《愛因斯坦的骰子和薛定諤的貓》一書中，物理學家保羅?哈爾彭講述了愛因斯坦和薛定諤如何尋求一種超越量子隨機性的 “萬物理論”。他們最終雖然失敗了，但他們的執著推動了物理學不斷前進。