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薛丁格誕辰與他既生又死的貓

【科學史上的今天】8/12——薛丁格誕辰(Erwin Schrödinger, 1887-1961)

圖片來源:Nobel foundation@wikipedia

在天堂漫步的薛丁格被絆了一下,他低頭一看,又是他一手創造的貓在他腳下糾纏。唉,他著實沒料到他當初構思的思想實驗如此成功,讓量子力學的奇特現象生動地印入大眾的腦海,還讓那隻既生又死的貓從此爆紅;哼,google「薛丁格」三個字,跑出來的九成以上都是「薛丁格的貓」!

不是他嫉妒牠,而是這下子一堆人都以為他與哥本哈根那票人是一夥的,相信粒子在觀測前是處於各種可能性的疊加態。不,他可是堅決反對他們對他的波動方程式的詮釋,才搬出「薛丁格的貓」這齣反諷劇啊!薛丁格的思緒不禁飄到從前……。

1926年,他發表震驚學界的薛丁格方程式,成功地以波函數描述粒子的量子態,為德布羅意的物質波提供穩固的理論基礎,獲得普朗克、愛因斯坦等大師的讚賞,並於1933年與狄拉克共同獲頒諾貝爾物理獎。只是有個問題:該怎麼詮釋薛丁格方程式出現的複數解──它的物理意義是什麼?

玻恩丟出了出人意表的答案:波函數就是一種機率振幅,它的絕對值平方代表測量到電子的機率分布。怎麼可能?!薛丁格自己雖然提不出適當的解釋,但他堅信波函數代表的就是實實在在的波,怎麼會變成機率了?!他與愛因斯坦一樣,堅信上帝不會擲骰子!

然而哥本哈根學派開始集結崛起,他們主張粒子的量子態只能以機率分布描述;可不是因為我們不知道粒子的確切狀態才用上機率,而是粒子真的沒有確切狀態,直到我們去測量它,粒子才從各種機率的疊加態「崩陷」於某一特定狀態。這實在太荒謬了!難道我們不看月亮時,它就沒掛在天上嗎?你們說是因為在巨觀狀態下,量子效應都互相抵銷掉了。那微觀與巨觀的界線在哪裡?

於是薛丁格才在1935年提出「薛丁格的貓」這個弔詭的思想實驗來質疑他們。好了,箱子裡貓的死活取決於放射性元素是否衰變,那麼巨觀狀態與微觀狀態已連結在一起,還如何區分兩者?既然在我們打開箱子之前,放射性元素是處於疊加態,所以貓就是處於死掉與活著的疊加態,但哪有這種又死又活的狀態?我們雖然沒有打開箱子觀測,但關在箱子裡的貓就不算是觀測者嗎?到底放射性元素因為我們尚未觀測而處於疊加態,或是因為貓的觀測而已經崩陷於確切狀態?

圖片來源:Jie Q@flickr, by CC 2.0

這畢竟是思想實驗,在他生前仍無法驗證,只不過,近來似乎有愈來愈多的實驗(當然不是拿貓來實驗)證明疊加態確實存在。薛丁格才要感慨自己是否過於固執,此時迎面走來克里克向他致意,感謝薛丁格當年寫的《生命是什麼?》率先從熱力學與量子力學探討生命的物理基礎,因而啟發他與華生研究並發現DNA的結構。薛丁格這才搖搖頭,笑了笑,領著貓繼續散步去了。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。