偶像和竞争者

这是两位辉煌的物理学家的故事，1947年的媒体战争曾破坏过他们几十年的友谊，以及科学合作和发现的脆弱本性。
二人产生龃龉时，各自都已是诺贝尔奖获得者，且已是人到中年，已经过了研究的高峰期。然而国际新闻界对两个人的故事讲得都不相同。这是一个大家都熟悉的情节：一位久经沙场的老兵，仍然很强大，面对一个正在崛起的渴望夺取奖杯的竞争者。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）声誉卓著——他的每一个声明都会有媒体报道；相比之下，很少有读者熟悉奥地利物理学家埃尔温·薛定谔的研究成果。
关注爱因斯坦职业生涯的人都知道，他在统一场理论上已经进行了数十年的研究。他希望延续19世纪英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的工作，通过一个简单的方程组把自然界的力结合在一起。麦克斯韦提出了对于电力和磁力统一解释，称为电磁场，并将电磁波和光波等同视之。爱因斯坦自己提出的广义相对论将引力描述为时空的几何翘曲。该理论得到了验证，他声名大振。不过，他不想停止不前。他的梦想是将麦克斯韦的结果纳入广义相对论的扩展形式，从而使电磁与引力统一起来。
▲图1 ：阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）
每隔几年，爱因斯坦都会宣布一个统一论，引来众人关注，但是却又会静悄悄地失败，并被另一个理论所替代。从1920年代末开始，他的主要目标之一是针对尼尔斯·玻尔、沃那·海森堡、马克斯·博恩等人建立的概率量子理论，提出一种确定性的替代理论。虽然他意识到量子理论在实验上是成功的，但他认为量子理论是不完整的。在他的心里，他觉得“上帝不掷骰子”，这是对这个问题的一种理想的机械主义创世论的表述。他所说的“上帝”，是指17世纪荷兰哲学家巴鲁赫·斯宾诺莎（Baruch Spinoza）所描述的神：可能存在的最好的自然秩序的象征。斯宾诺莎认为，上帝与自然同义，他是不变的，永恒的，不留给机会任何余地。爱因斯坦赞同斯宾诺莎的看法，试图寻求控制自然机制的不变规则。他坚定不移地要证明，世界是绝对确定的。
1940年代，在纳粹吞并奥地利之后，薛定谔流亡爱尔兰，他也赞同爱因斯坦对量子力学的正统解释的鄙视，把他看作是一个自然的合作者。类似地，爱因斯坦也觉得薛定谔的观点跟自己的很相符。在二人相互交换了对力的统一的想法之后，薛定谔突然宣布取得了成功，这引起了世人的关注，也让他和爱因斯坦的友谊出现了裂痕。
▲图2：埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）
大家可能听说过“薛定谔的猫”——这是他提出的著名的涉及猫科动物的思维实验。但是，当二人产生龃龉的那段时间，物理界以外，还很少有人听说过他所说的这个有关猫的寓言。新闻界把他描绘成一个居住在都柏林的雄心勃勃的科学家，而且他可能已经击败了伟大的爱因斯坦。
最早宣布这一消息的是《爱尔兰新闻》，从该报纸的报道中，国际社会得知了薛定谔所发出的挑战。薛定谔给媒体发去了一个长篇新闻稿，描述了他新提出的“万物理论”，而且毫不谦虚地将自己的成果与希腊圣人德谟克利特（发明“原子”这个词的人）、罗马诗人卢克来修、法国哲学家笛卡尔、斯宾诺莎和爱因斯坦本人的等量齐观。
薛定谔说：“科学家宣传自己的发现并不是一件很恰当的事。但是既然新闻界希望了解，我就把新闻稿给他们了。i”
《纽约时报》将这一宣布描述为特立独行者的神秘方法与缺乏进步的现有权威之间的战斗。“薛定谔如何取得了进展，我们不得而知”，报道中说。ii
很短的一段时期内，在探究解释宇宙中的一切的理论这件事上，一个原来名不见经传的维也纳物理学家，似乎击败了伟大的爱因斯坦。也许是时候了——疑惑的读者可能会这么想——更好地了解一下薛定谔。

可怕的难题

今天，大多数听到“薛定谔”这个名字的人都会立即想到一只猫、一个盒子和一个悖论。他著名的思想实验，是1935年发表的论文的一部分，论文题目是“量子力学的现状”，也是科学史上设计的最可怕的思想实验之一。首次听到这个思想实验的内容，肯定会让人内心发紧，不过在了解到这只是一个假设性的实验，可能从未在任何一只实际的猫科动物上尝试过之后，人们又会大松一口气。
薛定谔在1935年提出了这个思想实验，相关描述出现在他的一篇论文中，文章研究了量子物理学中量子纠缠的后果。纠缠（Entanglement）这一术语是由薛定谔创造的，指的是当两个或更多个粒子的条件由单一的叠加量子态表示时，如果一个粒子发生变化，则其他粒子立即受到影响。
通过与爱因斯坦的对话，薛定谔的猫这一难题，把量子物理学所隐含的内容推到了极限：生或死的问题。该实验让我们想象一只猫，其命运与粒子状态纠缠在一起。这只猫被放在存有放射性物质的盒子里，里面还有一个盖革计数器和一瓶密封的毒药。盒子是盖着的，而定时器则精确地设置为合适的间隔，使放射性物质有50：50的几率通过释放粒子而产生衰变。研究人员设置好里面的仪器，如果盖革计数器记录到单个衰变粒子，盛有毒药的容器就会被打破，毒药释放出来，猫就会死去。但是，如果没有衰变发生，猫就会幸免。
▲图3：薛定谔猫实验（图片来源：wikipedia）
根据量子测量理论，正如薛定谔指出的那样，猫死亡或活着的状态将与盖革计数器的读数——衰减或不衰减的状态——相互纠缠，直到盒子被打开。因此，猫将处于僵尸般的或生或死的量子叠加态，直到定时器启动，研究人员打开盒子，猫和计数器的量子状态“塌缩”，变成两种可能性中的一种。
1930年代末到1960年代初这段时间里，除了有时作为讲课时的趣事之外，该思想实验很少被提及。例如，哥伦比亚大学教授和诺贝尔奖获得者T.D.李曾跟学生讲过这个故事，以说明量子塌缩的奇怪性质iii。1963年，普林斯顿的物理学家尤金·魏格纳（Eugene Wigner）在他的一篇关于量子测量的论文中提到了该思想实验，现在被称为“魏格纳的朋友”悖论。
著名哈佛哲学家希拉里·普特南（Hilary Putnam）从物理学家同事那里了解到了这个难题，也是物理界以外第一批分析并讨论薛定谔的猫思想实验的学者之一iv。他在他经典的1965年的“哲学家眼中的量子力学”一文中描述了它的含义，该文章是一本书中的一个章节。同一年，《科学美国人》的书评提到了该论文，这一术语进入了科普领域。在接下来的几十年中，它被当作模糊性的象征进入文化领域，被许多小说、散文和诗句引用。
虽然那时候公众开始熟悉猫的悖论，但是对于提出它的那位物理学家还不是很清楚。自1920年代以来，爱因斯坦就成了一个偶像，是聪明绝顶的科学家的象征，但人们并不熟悉薛定谔的生平事迹。这里面真是有些讽刺意为，因为人们张口闭口“薛定谔的”——包括其中的“模糊”的含义——说的就是他。

对统一论的争论

许多物理学家在自己的职业生涯中，集中研究的是关于自然界特定方面的非常具体的问题。他们看到的是树木，而不是森林。爱因斯坦和薛定谔的目标则更广阔。两人基于自己所读过的哲学，都相信自然有一个宏伟的蓝图。他们年轻时的学术经历让他们有了重要的发现——爱因斯坦的相对论和薛定谔的波动方程，这些发现揭示了答案的一部分。受到这种部分解决方案的诱惑，他们希望找到能够解释一切的理论，来完成他们毕生的目标。
但是，就像宗教上的派别之争一样，对于前景的微小差异也可能导致重大冲突。薛定谔操之过急，以为他奇迹般地发现了爱因斯坦不知何故忽略了的线索。他的错误的顿悟，再加上他的学术地位给他带来的要表现得更优异的压力，让他在获得足够的证据证实自己的理论之前，就按耐不住要往前冲。
他们的冲突是有代价的。从那时起，他们的宇宙统一梦想受到了个人冲突的影响。他们浪费了两人生命中的一段时间，这段时间里，他们本可以在友好对话中，全面地讨论宇宙中可能的发条机制。意外打破了他们用决定性取代随机性的决心。对于能够完整地解释其运作机制的理论，宇宙在等待了数十亿年的时间之后，还必须继续耐心地等下去，但是两位伟大的思想家，却失去了转瞬即逝的机会。

i  埃尔温·薛定谔，“新的场论”。

ii “统一宇宙”，《纽约时报》，1947年2月16日。

iii 艾利休·卢布金，“薛定谔的猫”，《国际理论物理学杂志》，第18卷，第8期，1979年，第520页。

iv Hillary Putnam，与本书作者的私人通信，2013年8月4日。

📚 书名：爱因斯坦的骰子和薛定谔的猫

💁‍♂️ 作者：[美]保罗•哈尔彭    [译]徐彬  陈楠

内容简介

当量子力学的不确定性推翻了牛顿的有序世界之时，爱因斯坦和薛定谔正处在这场物理学革命的最前沿。不过，他们二人对于量子力学的标准解释都不满意，爱因斯坦说了一句非常有名的话“上帝不会掷骰子”，而薛定谔则创造了著名的有关猫的故事，它既不是活的，也不是死的——这不是用来解释量子力学，而是要突出显示这一误入歧途的理论是多么荒谬。在《爱因斯坦的骰子和薛定谔的猫》一书中，物理学家保罗•哈尔彭讲述了爱因斯坦和薛定谔如何寻求一种超越量子随机性的 “万物理论”。他们最终虽然失败了，但他们的执着推动了物理学不断前进。

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