支气管狭窄

首页 » 常识 » 问答 » 流行文化里的薛定谔猫
TUhjnbcbe - 2023/3/27 19:11:00
北京雀斑医院地址 http://pf.39.net/bdfyy/qsnbdf/211023/9596709.html
                            

以下文章来源于返朴,作者保罗哈尔彭

返朴.

溯源守拙问学求新

今天,大多数听到“薛定谔”(.8.12-.1.4)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“薛定谔猫”的思想实验,是他年论文“量子力学的现状”的一部分。然而,这个科学史上最著名也最可怕的思想实验,其实是薛定谔对当时量子力学发展状况的挖苦。尽管如此,薛定谔去世十多年后,他和他的猫还是成了流行文化里“模棱两可”的符号。

撰文

保罗哈尔彭

翻译

徐彬、陈楠

大学生活

薛定谔在文理高中毕业,他最爱的两门课是数学和物理,毕业成绩优等。在学业上,他的实力可以选择任何专业,但他却对如何用公式描述物理世界非常痴迷。他非常想在大学进修理论物理学,在他心里,玻尔兹曼会是一位极为出色的导师。不幸的是,他入学的时候,学校正处于昏暗时期,物理学的上方乌云笼罩。

薛定谔回忆道:“古老的维也纳大学,沉浸在失去路德维希玻尔兹曼的哀伤之中……让我对那个伟大思想家的思想有了直接的了解。可以说他的思想世界是我在科学上的初恋。从没有人让我如此着迷,将来也不会有了。”

玻尔兹曼在基础问题上的勇敢探求影响了薛定谔。玻尔兹曼不惧使用原子作为建筑构件来建构掌控整个宇宙热行为的法则。受他的启发,薛定谔后来也雄心勃勃地想建立一个囊括所有自然力的基础理论。

学校里能够取代玻尔兹曼理论物理学主任之位的是他之前的学生、出色的理论家弗里德里希(弗里兹)哈森内尔。哈森内尔研究移动物质产生的电磁辐射,已经小有名气,而且在爱因斯坦发现其著名的方程式之前,发现了能量与质量(尽管错了)之间的关系。他待人友好,很受学生欢迎。虽然薛定谔不能跟玻尔兹曼学习热理论和统计力学,但他有幸可以跟玻尔兹曼的高徒学习这两门课以及其他课程,比如光学原理。人人都夸赞哈森内尔是一名出色的教师。受哈森内尔的教学和玻尔兹曼成就的启发,薛定谔希望在理论物理学领域开拓出一条属于自己的道路。

作为一个学生,薛定谔很快名声大振。汉斯瑟林是他物理系的同学,后来成了他一生的朋友,他在一次数学研讨会上回忆到,当时一位金发的青年走进教室,然后听见另一个毕业于文理高中认识他的人带着敬畏的语气说:“噢,这可是薛定谔哦!”

薛定谔对理论兴趣浓厚,但在大学里做的研究主要是实验操作,导师是弗朗茨埃克斯纳(FranzExner)。薛定谔后来在埃克斯纳的指导下获得博士学位。埃克斯纳对电的许多行为感兴趣,包括电在大气中的产生和特定化学过程中的产生。他还探索光和色的科学,研究放射性。薛定谔的博士论文题目是《湿空气中绝缘体表面的电传导》(Ontheconductionofelectricityonthesurfaceofinsulatorsinmoistair)。这是一篇非常实用的论文,讨论的是湿气的电场效应中,物理测量所使用的绝缘装置的问题。这位未来的理论家的事业,最开始是先把手弄得脏兮兮的——在一间狭小的实验室里,将电极与琥珀、石蜡和其他绝缘材料的样本连接起来,测量通过其中的电流。年他获得了博士学位,年因研究与原子行为和磁力有关的理论问题,获得特许任教资格(Habilitation,最高的学术级别,可以从事教学)。

但薛定谔和爱因斯坦开始探索引力和电磁力的统一,是许多年之后的事。但说来也奇怪,年病中的马赫写了一封信,最后转到了薛定谔的手里,这封信即将改变一切。虽然马赫已经退休了,但他依然积极地探求自然的深层次问题。他开始思考引力和电力定律的平方反比的通用性,思考这些力是否可以统一起来,并且咨询大学里的哪个人能解开他的疑惑。德国物理学家保罗戈伯的理论颇具争议性,马赫尤其想找个学识渊博的人对他的理论做个评定。马赫的问题传到了薛定谔的手里,而他发现戈伯的论文很难读懂。尽管如此,这份交流可以说是薛定谔和他心中的一位智慧英雄马赫的间接接触,也是开始理论工作的一个前奏。而且,能被选中回应马赫的问题,这也代表了薛定谔在维也纳大学获得了高度的认可。就在二十五六岁的时候,薛定谔开始成名。

日渐式微的帝国

时值哈布斯堡城举行盛会——这是一场欢快的会晤,一场即将跟维也纳*金时代挥手告别的盛会。被邀嘉宾是几千位欧洲境内说德语的顶尖科学家。从布拉格到布达佩斯,自柏林至苏黎世,群英荟萃、少长咸集。他们都想了解一些新的惊世理论,讨论的范围涉及粒子、原子、光、电、统计物理学,以及其他领域。会上有几位大家未能如期而至,比如受人尊敬的慕尼黑物理学研究所所长普朗克和阿诺德索末菲就缺席了。但会上仍有几个备受瞩目的物理学新发现,使得奥匈帝国物理界最后一支华尔兹舞曲变成了一场永世难忘的盛会。

第85届德国自然科学家与物理学家集会(与5年前在科隆开会时闵可夫斯基致辞时到场的人相同)盛况空前。大会从年9月21日一直持续到23日,地点位于维也纳大学物理研究所的新总部,靠近玻尔兹曼街。坚持建造新总部的是埃克斯纳,他把这当成自己留任的条件。恢宏的报告厅内,几巡报告之后,多名与会人员受邀参加皇家举办的豪华招待会。这是维也纳市*府组织的盛宴,也是维也纳的物理学家们安排的聚会。招待十分周全,每个人都尽享盛宴。

报告期间,辐射问题和原子物理学成为了人们热议的话题。德国物理学家汉斯盖革做了一场发言,他是盖革计数器(年时还是很初级的形式)的发明人,他曾与新西兰物理学家欧内斯特卢瑟福(ErnestRutherford)共过事。年,在卢瑟福的指导下,盖革和欧内斯特马斯登(ErnestMarsden)在曼彻斯特大学进行了一场巧妙的实验来探索原子的结构。他们用α粒子(一种与氦离子相同的放射性物质)轰击金箔,发现几乎所有粒子毫不费力地就穿过了金箔,好像金箔就是一张薄纸一样。但是,有很小一部分弹回来了,角度很小,就像超级弹跳球从水泥墙上反弹回来一样。卢瑟福从这些出乎意料的结果中推断,原子的大部分结构是虚空的,中间有个直径很小的核心区域,是带正电的原子核。卢瑟福年提出的初级原子结构模型与太阳系相似,电子在原子核外绕核作轨道运动。原子核带正电,电子带负电。这一模型完全颠覆了人们对于原子的认识。之前人们认为原子像玻璃球一样,坚实而且不可分割;但是现在发现,原子主要是由虚空构成的,有着精妙而又复杂的结构。会上,盖革集中讨论了检测α粒子和β粒子的实际操作方法(β粒子如同电子一样,都是日后发现的粒子)。

当时,年纪轻轻的薛定谔同时供职于埃克斯纳物理研究所和附近的镭研究所,检测放射性物质也成了他的主要兴趣所在。大会主旨与薛定谔的研究相关,并且地点就选在他所在的城市,这场会议简直就是为他量身定制的。这次大会也让薛定谔有缘见到爱因斯坦这个万众瞩目的嘉宾。薛定谔对爱因斯坦的不凡成就不仅有所耳闻,而且表现出了相当大的热忱。他十分好奇创造了奇迹年背后的真人是怎样的,迫不及待地想一睹这个前专利局技术员的风采。薛定谔从爱因斯坦才华横溢的演讲中受到启发,放弃了枯燥无味的大气辐射测量,转而更加注重基础问题的研究。

塞哈姆(Seeham)是靠近萨尔茨堡(Salzburg)上特鲁姆湖(Obertrumer)边上的一个村庄,一个月前,薛定谔曾在此记录过大气中镭的衰变产物镭A。薛定谔用收集管和静电计进行过近次测量,并计算出了大气中镭A含量的变化过程。测量结果表明,即便处于峰值时刻,镭A的辐射量也仅占大气总体辐射量的一小部分,这就有些奇怪了。基于薛定谔以及其他文献资料提及的数据,科学家们推断,大气中的其他辐射源,比如γ射线等,构成了剩下的辐射。此举之后,研究者们才开始探索大气中的其他辐射源。

鉴于薛定谔的研究方向,大会破例允许他出席了有关放射性物质最新发现的会谈,会谈涉及原子核及其相关领域内容。在其中一次谈话中,来自德国哈勒市的天体物理学家维尔纳考尔赫斯特(WernerKolhrster)提到了把装有辐射检测器的气球放飞至数英里高进行检测的实验。会上考尔赫斯特报告说发现了某种“穿透性辐射”在高海拔的地方要比地面上大得多,很明显是来自外太空,证实了奥地利物理学家维克托赫斯(VictorHess)之前的气球飞行检测结果。现在我们称这种来自地球以外的射线为“宇宙射线”。这一证明使得科学历史学家杰格迪什梅拉(JagdishMehra)和赫尔穆特雷兴贝格(HelmutRechenberg)称这次大会是“宇宙射线的诞生之日”。

维也纳会议对薛定谔的职业发展产生了深刻的影响。薛定谔停止了对放射性的实验性测量,开始转向理论研究,探究物理学的基础性问题。然而,不等薛定谔在原子物理学、引力和其他展现在他面前的领域一试身手,命运给他开了个玩笑。

年6月28日,当时继承了奥匈帝国皇位的弗朗茨费迪南德(FranzFerdinand)大公访问了波斯尼亚的萨拉热窝,塞尔维亚激进的民族主义者加夫里洛普林西普(GavriloPrincip)开枪刺杀了他和他的妻子。一个月之后,第一次世界大战就爆发了。薛定谔接到命令,要他随*出征。他在意大利前线忠心履职,做过很多工作,其中包括指挥炮兵。德国参战后站在奥匈帝国一边,爱因斯坦强烈反战,拒绝服兵役。

年春天薛定谔回到维也纳,继续为*队服务,与汉斯瑟林一起从事气象工作。遗憾的是,第一次世界大战将薛定谔的学术事业拖后了三四年——对一个年轻的研究者来说,这段时间非常之漫长。回到维也纳之后,薛定谔继续从事理论研究和教学工作,竭力弥补错过的那几年。

物质波

年9月,两次世界大战之间最重要的科学界大会之一“自然科学家会议”(Naturforscherversammlung)在坐落于阿尔卑斯山山谷之中的奥地利城市因斯布鲁克举办。尽管爱因斯坦没有在会议上发言,但是他参加了会议,并且借机与包括普朗克在内的与会人员针对量子统计学进行了非正式探讨。

薛定谔也参加了此次的会议。这让他有机会认识了爱因斯坦和普朗克这两位自己最为尊重的物理学家——当然,他们也是世界上最富盛名的物理学家。他曾经在年的维也纳会议上听过爱因斯坦的讲座,也与他交换过广义相对论方面的论文,但是直到这次会议之前,一直没能跟他当面交谈——至少没有深入交谈。

爱因斯坦和薛定谔在因斯布鲁克的见面不仅是他们之间长久又成果丰硕的友谊的开始(一开始两人的关系颇为正式拘谨,但后来就很近了),而且也是现代物理学发展史上的关键时刻。会议总结了爱因斯坦在量子统计学领域的贡献,这也激励着薛定谔与他通信,最终从他那里了解到了法国物理学家路易维克托德布罗意(LouisdeBroglie)的物质波动理论。这也启发薛定谔构建了自己的波动方程——该方程式是量子力学的关键支柱之一。

薛定谔借在因斯布鲁克开会的机会跟奥地利的同事叙了叙旧(当时他正在瑞士工作),并有机会呼吸一下山区的新鲜空气。这对他很重要,因为三年前,他曾得了支气管炎,之后又得了肺结核,因此留下了肺病的后遗症。由于他烟瘾很大,这使他的呼吸问题进一步恶化。

过去的几年对于薛定谔来说,真可谓是跌宕起伏。跟安妮结婚之后,他变成了十足的流浪学者。尽管他在维也纳大学获得了一个职位,但从年底至年底,他还先后在德国城市耶拿、斯图加特以及布勒斯劳(现为波兰城市弗罗茨瓦夫)任教,每次任教时间都很短。薪水是他最

1
查看完整版本: 流行文化里的薛定谔猫