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爱因斯坦和Schrödinger是如何合谋杀死一只猫的

法西斯主义的兴起形薛定谔的猫的寓言。

在量子理论的所有奇异方面,很少看起来比埃尔文·施林德着名的寓言俘虏了...由大卫凯泽尔

O.在量子理论的所有奇异方面中,很少有比欧文Schrödinger关于一只既不活也不死的猫的著名寓言更奇怪的了。它描述了一只猫和一些放射性物质被锁在一个没有窗户的盒子里。如果放射性物质发生衰变,设备就会释放出一个铁锤,砸碎一瓶毒药,杀死猫。如果没有检测到放射性物质,猫就能存活。Schrödinger虚构了这个可怕的场景来嘲笑他认为量子理论的一个可笑特征。这个理论的支持者认为,在有人打开盒子检查猫之前,这只猫既不是活的也不是死的;它存在于一种奇怪的、典型的生与死的量子状态中。

今天,在我们这个充斥着狂笑猫的世界里,Schrödinger这个奇怪的小故事经常被用来搞笑,它的语气更滑稽而不是阴郁。1这也成为了哲学和物理学困惑的主旗手。在薛定谔自己的时间,尼尔斯·玻尔和海森堡宣布,在混合状态像一个猫被认为是在为大自然的基本特征。其他的,像爱因斯坦,坚持,自然必须选择:活着还是死了,但不能同时使用。

尽管Schrödinger的猫作为一种文化基因至今仍很流行,但讨论往往忽略了这个寓言的一个关键方面:Schrödinger最初构思它的环境。面对即将到来的世界大战、种族灭绝和德国知识分子生活的瓦解,Schrödinger的思想转向了毒害、死亡和毁灭,这并非巧合。Schrödinger的这只猫应该会让我们想起比量子力学迷人的奇异更重要的东西。它也提醒我们,科学家和我们其他人一样,是有感觉和恐惧的人类。

知识的死亡:20世纪30年代发生在欧洲纳粹德国的令人不安的暴力事件,包括像这样的焚书事件,影响了当时生活的各个层面,甚至影响到了科学家们用来描述他们工作的隐喻。 美国国家档案馆


S.chrödinger在1935年夏天与阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)进行了密切的对话,设计了他的猫的场景。20世纪20年代末,当两人都住在柏林时,他们的友谊得到了巩固。那时,爱因斯坦的相对论使他一举成名。除了他的科学追求,他的日程还不时被世俗事务打断——国联委员会会议,为犹太复国主义事业奔走。Schrödinger是一位衣装整洁的奥地利人,他于1927年被提升为柏林大学的教授,就在一年前,他推出了量子力学的波动方程(现在简称为Schrödinger方程)。他们一起享受维也纳香肠派对WienerWürstelabende.抨击Schrödinger在他家里举办的活动,并在爱因斯坦避暑别墅附近的湖上划船。

太快,他们的善良聚会停止了。希特勒于1933年1月推出了德国的大臣。当时,爱因斯坦正在访问加利福尼亚帕萨迪纳的同事。当他离开时,纳粹袭击了他的柏林公寓和避暑别墅,刷了他的银行账户。爱因斯坦辞去了普鲁士科学院,并迅速安排在新泽西州普林斯顿定居,是全新的高级学习研究所之一。

Schrödinger的回答颇具新意。代替火药,现在有一只猫。

同时,薛定谔,谁不是犹太人,并保持较低的个人主页上,政治上,惊恐地比爱因斯坦,看着那个春天作为纳粹举行声势浩大的书烧集会和扩展的基于种族的限制,以高校教师。薛定谔接受了奖学金在牛津大学和离开柏林的那个夏天。(后来他在都柏林解决。)在8月,他从道路写信给爱因斯坦,“不幸的是(我们大多数人一样)我还没有足够的紧张和平在最近几个月工作认真的事情。”2

在漫长的时候,他们的交流再次拿起,他们的一次悠闲的漫步现在被跨大西洋帖子所取代。在1933年的戏剧性中断之前,这两个物理学家都对量子理论做出了巨大贡献;事实上,两者都赢得了他们的诺贝尔奖,以便他们在这个问题上的工作。然而,两者都陷入了他们的同事们的努力,以了解方程。用纸和邮票武装,他们潜入他们的讨论。3,4

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1935年5月,爱因斯坦与高级研究所的两位年轻同事鲍里斯·波多斯基(Boris Podolsky)和内森·罗森(Nathan Rosen)发表了一篇论文,指责量子力学是不完整的。他们写道,存在着“现实元素”,即物理对象的确定数量或属性,而量子理论只提供了可能性。5.六月初,Schrödinger写信祝贺他的朋友发表了最新的论文,称赞爱因斯坦“公开使用武断的量子力学来解释那些我们在柏林经常讨论的事情。”十天后,爱因斯坦作出了回应,向Schrödinger宣泄道,“这种充斥着认识论的狂欢应该结束了”——他们都把这种“狂欢”与尼尔斯·玻尔和他的年轻助手如维尔纳·海森堡联系在一起,后者认为量子力学完全描述了一种本质,而这种本质本身就是概率的。6.

这让那只即将出生的猫第一次动了起来。在给Schrödinger的后续信中,爱因斯坦让他的朋友想象一个球被放在两个完全相同的封闭盒子中的一个。在打开任何一个盒子之前,在第一个盒子中找到球的概率是50%。爱因斯坦怀疑这是一个完整的描述,并相信一个适当的原子域理论应该能够计算出一个确定的值。对爱因斯坦来说,只计算概率意味着戛然而止。

受到Schrödinger热情回复的鼓舞,爱因斯坦将他的“盒子里的球”类比进一步推广。如果物理学家经常谈论的小尺度过程被放大到人体大小会怎样?8月初,爱因斯坦在给Schrödinger的信中提出了一个新的设想:想象一堆本质上不稳定的火药,在一年内很可能不会爆炸。“原则上,这可以很容易地用量子力学来表示,”他写道。虽然Schrödinger自身方程式的解决方案在早期可能看起来是合理的,但“一年之后,情况就完全不同了。相反,ψ函数”——Schrödinger在1926年引入量子理论的波函数——“描述了一种尚未爆炸和已经爆炸的系统的混合。”爱因斯坦在信中得意地说,即使是玻尔也不应该接受这种无稽之谈,因为“事实上,在爆炸和未爆炸之间并没有中介。”7.自然必须这样选择之间等,因此,如果选择物理学家,爱因斯坦坚持。

爱因斯坦本可以找到许多不同的大规模效应的例子来批判量子概率的描述。他的特别选择——弹药库爆炸造成的毫无疑问的损害——可能反映了欧洲日益恶化的局势。早在1933年4月,他就写信给另一位同事,描述了他对希特勒这样的“病态煽动家”如何掌权的看法,并停下来指出,“我相信你知道我是多么坚定地相信所有事件的因果关系”——量子和政治都是如此。那年晚些时候,他在伦敦一个座无人席的礼堂里发表了一场演讲,内容是“这些暴风雨时代的赤裸裸的闪电”。对另一位同事,他惊恐地说,“德国人正在秘密地大规模重新武装。”工厂夜以继日地运转(飞机、轻型炸弹、坦克和重型军火)”——如此多的炸药随时都可能爆炸。1935年,他公开宣布放弃自己之前对和平主义的承诺。8.

也许灵感来自他们的最新交流,Schrödinger开始写一篇关于他自己的一篇文章,即“量子力学的现状”。在收到爱因斯坦关于爆炸火药的信后一周半,Schrödinger用一个小说扭曲回复。代替火药,现在有一只猫。

针对推进法西斯主义,难怪在盒子里的球的谈话演变成爆炸,毒物和生死的病态计算的鼓声。

“钢室里有一个盖革计数器,里面准备了少量的铀,”Schrödinger在给他的朋友的信中写道,“它是如此之小,以至于在接下来的一个小时里,一个原子衰变的可能性与没有衰变的可能性一样大。”一个放大的继电器提供第一个原子衰变粉碎一小瓶氰酸。残忍的是,这只猫也被困在钢室里。”就像爱因斯坦的例子一样,Schrödinger想象着指定的时间正在流逝。然后,根据量子力学,“活着的猫和死去的猫被涂抹得一样多。”爱因斯坦很高兴。“你的猫表明我们完全一致,”他在9月初写道。"既有死猫也有活猫的ψ函数不能用来描述现实情况"9.

在爱因斯坦9月份的那封信几个月后,Schrödinger现在已经出名的猫的例子出现在了该杂志上,措辞几乎相同死的《自然科学》杂志上10但它几乎没有打印。在他向杂志提交草案后的几天,创始编辑 - 一个名叫阿诺德贝尔林的犹太物理学家被解雇。Schrödinger思考撤回抗议文章,但只有在柏林机本人的兴奋之后才会受到影响。11

Schrödinger的思想认为,夏天的思考不仅仅是对贝林尔虐待的担忧。Schrödinger没有秘密对纳粹政权的厌恶,并且当被迫逃离柏林,穆斯林队在他的日记中,“可能并非如此我已经学到了足够的情况世界。而且我准备......”在牛津到达数月后,来访的朋友指出他多么不开心,位移的复合惨淡,每日新闻的压力。在1935年5月,正如爱因斯坦,波多尔斯基,罗森文出现在打印薛定谔上提供对BBC电台有20分钟的演讲“自由平等和相对性,”整个历史回顾多次在“绞刑架和股权,剑和大炮起到了从政治压迫免费尊敬的人”。12在法西斯主义前进的鼓声中,人们谈论箱子里的球,很快就变成了爆炸、毒药和对生死的病态计算,这一点也不奇怪。

虽然他的文章在报刊,薛定谔写信给玻尔,试图再次辨别玻尔和其他人怎么能让和平与量子力学的怪异特征。正如爱因斯坦,薛定谔渴望与玻尔人讨论这样的问题,“但现在的时间是很少适合休闲为目的。”更大的问题笼罩。薛定谔他写道:“希望再次成为永久的地方,那就是,要知道有相当大的概率又对未来5年或10年的事。”13只有概率才能造成损失。

然而,欧洲仍然在黑暗中越陷越深。就在Schrödinger介绍了他关于量子猫和氢氰酸的寓言几年后,纳粹工程师开始在他们残忍高效的毒气室里使用同样的毒药——商标名为“Zyklon B”。1942年3月,就在他计划被驱逐到集中营之前,Schrödinger的前编辑死的《自然科学》杂志上,阿诺德贝尔林,杀死了自己选择,最后是一个可怕的确定性。14


一世n次,Schrödinger认为将削弱量子力学的挑战变得越来越熟悉的Troper Tropers是教学理论的最熟悉的。粒子力学的中央宗石是颗粒可以存在于“叠加”状态中,同时分配两个相对的特性。而我们经常在日常生活中面对“或者”决定,至少如量子理论所描述的 - 可以采用“两者和”。

在过去的几十年里,物理学家们已经成功地在实验室里创造出了各种各样的Schrödinger-cat状态,将微小的物质诱导成“两者”叠加,并探索它们的性质。尽管Schrödinger有所保留,但每一次测试都与量子力学的预测一致。在最近的一个例子中,我和同事们证明了中微子(与普通物质相互作用非常弱的亚原子粒子)可以像猫一样移动数百英里。15

因此,Schrödinger关于他那只猫命运两次的故事具有双重讽刺意味。首先,尽管Schrödinger的猫在物理课堂内外都很出名,但很少有人记得Schrödinger引入这个寓言是为了批评量子力学,而不是阐明它。第二点,也是更能说明问题的一点:Schrödinger的猫,在它的时代,作为一个更广阔的世界的提喻,这个世界已经变得太奇怪了——有时,太危险了——以至于无法理解。


大卫·凯泽是Germeshausen教授在MIT的计划在科学,技术与社会,以及在物理麻省理工学院系教授。

参考文献

1.Crease, R.P. & Goldhaber, A。量子矩W.W. Norton & Company,纽约,纽约(2014)。

2.摩尔,W。Schrödinger:生活与思想纽约剑桥大学出版社(1989)。

3.很好,一个。摇摇欲坠的游戏:爱因斯坦,现实主义和量子理论芝加哥大学出版社,芝加哥(1986)。

4.凯泽D.瞻人类演员在舞台上背:爱因斯坦,玻尔辩论的个人背景。英国科学史记27, 129 - 152(1994)。

5.爱因斯坦,A.,波多斯基,B.,罗森,N.能认为物理现实的量子力学描述是完整的吗?物理评论47, 777 - 780(1935)。

6.精细,A.摇摇欲坠的游戏:爱因斯坦,现实主义和量子理论芝加哥大学出版社,芝加哥(1986)。Schrödinger给爱因斯坦的信,日期是1935年6月7日,爱因斯坦给Schrödinger的信,日期是1935年6月17日。

7.很好,一个。摇摇欲坠的游戏:爱因斯坦,现实主义和量子理论芝加哥大学出版社,芝加哥(1986)。信爱因斯坦薛定谔,1935年8月8日。

8. Rowe,D.E.&Schulmann,R.爱因斯坦对政治普林斯顿大学出版社,新泽西州普林斯顿(2007)。

9.很好,一个。摇摇欲坠的游戏:爱因斯坦,现实主义和量子理论芝加哥大学出版社,芝加哥(1986)。Schrödinger给爱因斯坦的信,日期是1935年8月19日,爱因斯坦给Schrödinger的信,日期是1935年9月4日。

10.Schrödinger, E. Die gegenwärtige Quantenmechanik的情况。死的《自然科学》杂志上23, 807 - 849(1935)。

11. Arnold Berliner博士和死的《自然科学》杂志上自然136,506(1935)。

12.摩尔,W。Schrödinger:生活与思想纽约剑桥大学出版社(1989)。来自Schrödinger的日记和1935年BBC地址的报价。

13.穆尔,W.Schrödinger:生活与思想纽约剑桥大学出版社(1989)。Schrödinger给玻尔的信,日期是1935年10月13日。

14.埃瓦尔德,P.P.&出生,M.阿诺德·伯纳博士(讣告)。自然150,284(1942年)。

15.acta physica sinica, 2017, 36 (3): 461 - 463 . acta physica sinica, 2017, 36 (3): 461 - 463 . acta physica sinica, 2017, 36(3): 461 - 463。物理评论快报117050402(2016)。

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