【物理發展史】薛丁格(Erwin Schrödinger)之貓

■ 相信大家十之八九聽過「薛丁格箱子裡的貓」一詞,但可能對於薛丁格到底為什麼要把貓放進箱子裡不甚了了。其實貓僅僅只是一個比喻,薛丁格的想像實驗帶來了量子力學理論微觀到鉅觀的變革。也意外的影響了人文、哲學界,讓「薛丁格之貓」成為響噹噹的熱門詞彙。

paul.derry

翻譯? ∣? 蕭如珀、楊信男(台大物理系名譽教授)

■ 《物理雙月刊》(三十卷二期) 2008 年4月 本月物理史

■ 大約1935年3月:薛丁格(Erwin Schrödinger)的弔詭貓(譯自APS News,2002年3月)

?

  奧地利理論物理學家歐文‧薛丁格(Erwin Schrödinger)所提出的波動方程式對量子論有深遠的貢獻,此方程式後來以他的名字命名。但很意外的是,他最有名的研究卻是1935年所提出的一個思考性實驗——薛丁格貓的弔詭,此實驗引起哲學家的興趣,但也讓愛貓人士感到毛骨悚然。

  薛丁格於1887年誕生在奧地利的維也納,父親經營一間小油毯工廠。他自幼在家學習,直到10歲才進入九年制的普通高等學校就讀,而他也很快地展現出在物理與數學方面的優越能力。他以前的一位同學回憶起年輕時的薛丁格對於上課內容皆能充分瞭解,所以課後能馬上到黑板上以趣味的方式開始解題。薛丁格於 1906年畢業後隨即進入維也納大學研修理論物理學,於1910年獲得了博士學位,所做的博士論文是研究在潮濕空氣中絕緣體表面的電傳導。

  在短暫服自願役後,薛丁格在維也納被任命為實驗物理的助理,研究放射線,證實了放射線衰變的統計性本質。他後來說他的實驗工作對於他的理論研究來說是無價的資產。他的學術生涯因第一次世界大戰爆發而短暫中斷,但他還是在色彩理論方面做出了實質的貢獻,並於1917年發表第一篇量子論的論文。

?

Vince Garcia@flicker
中央戴著眼鏡的就是薛丁格。

  薛丁格後來在蘇黎世大學任職理論物理講座教授,就在那裡做出了他最重要的成就。他當時的論文專門研究固體的比熱、熱力學和原子光譜的問題;此外,他還致力於色彩的生理研究。他於1926年上半年因不滿意波耳(Bohr)原子理論中的量子化方式,他相信原子光譜應該由某一種本徵值問題來決定,因而做出了重大發現——薛丁格波動方程式。他因此研究和狄拉克(Dirac)於1933年分享諾貝爾獎。

  薛丁格在1935年初開始研究他有名的詭異貓理論中的觀念,並於春天發表了他三部論文中的第一部,其中包含一個關鍵的思考性實驗,用以解釋量子論和我們實際經驗間的一個主要矛盾。薛丁格所提出的思考性矛盾如下:將貓放進一個箱內,再加入一個裝有毒氣的容器,然後關上箱子。箱內的毒氣容器每當放射性原子衰變後就會釋放出毒氣,薛丁格以此類推來解釋量子力學的侷限:像原子一樣的量子粒子能同時處於兩種或多種不同的量子狀態,但他也說,由大量原子所組成的物體,例如一隻貓,當然不應該處於兩種狀態中。

?

Schrodingers_cat.svg
根據薛丁格的理論,在箱子中的貓,可能死亡,也可能生存。只要不打開箱子,重疊的狀態就一直存在

  放射性原子有50%的機率會在一小時內衰變,如果發生的話,氰化物的小瓶子會破掉,將貓毒死;假如沒發生,就不會釋放出氰化物,貓也能活命。放射性原子遵循量子力學的原則,雖然它的情況要等到外面的觀察員打開箱子,觀察裡面的原子做了測量後才能決定,但它卻能立即決定貓的狀態。困於箱內的貓要等到觀察員測出放射性原子後才知死活,因此在打開箱蓋前的這段期間,貓處於死與活兩種重疊的狀態中。

  雖然此思考性的實驗因為許多原因無法執行,包括由許多原子與分子所組成物體的系統,例如一隻貓,其量子性質容易消失,但其基本的原理終於在幾年前由實驗證明出來。1996年,在科羅拉多州波德的國家標準和科技機構(NIST)中的四位研究員做了「薛丁格貓」的測試,所使用的並非活的貓,而是帶正電(即陽離子)的鈹。

  他們將帶電的鈹原子放置於一個很小的電磁鐵籠子中,然後以雷射將它冷卻至最低的能量狀態,使它的位置與自旋都能極精確地測出。工作人員然後用雷射來刺激原子,使它一開始有50%的機率處於「自旋向上」的狀態,而在大約80nm(nanometer,10億分之1公尺)處有50%的機率處於「自旋向下」的狀態。原子同時位於兩個不同的地方,也處於兩種不同的自旋狀態——活貓與死貓合為一體的原子等同物。此決定性的證據是他們觀察到一個干擾的形態,一個很自然出現的徵兆,說明一個單一的鈹原子產生了兩個不同的波函數,彼此相互干擾。

?

原文出處:Circa March 1935: Schroedinger's Paradoxical Cat

本文原發表於:高瞻資源計畫平台

CASE網誌圖文好讀版 by MissZoe

20,896 人瀏覽過

3 thoughts on “【物理發展史】薛丁格(Erwin Schrödinger)之貓

  • 2010 年 02 月 25 日 at 16:56:55
    Permalink

    薛丁格之貓的熱門程度大概可以從以下的例子窺見一斑:

    null

    時下流行的日本少年漫畫「絕望先生」(作者為久米田康治)曾經以薛丁格的貓為主題進行一整章的諷刺故事,裡面提到只要不打開箱子,不想要的未來就不會出現—所以大家都別打開箱子!有些事情就讓結果保持不明吧!

    Reply
  • 2010 年 02 月 26 日 at 00:24:46
    Permalink

    New York Times一篇評論,分享給大家:

    http://tinyurl.com/ygzr2mn

    其中有趣的一段,特別是霍金的鄉民化語言:

    「誰要是跟我提薛丁格那隻貓,我就去拿槍!」

    While some physicists still hold that self-centered view, most have come to believe that an inanimate measuring device, like the electronic detector in the cat experiment, can instantaneously make the observation, removing the quantum uncertainty. There is no need to open the box to kill the cat. But the thought experiment still creeps up often enough among science-fiction fans (quantum doppelgangers being a favorite Star Trek theme) to drive some physicists crazy. 「When I hear about Schrodinger's cat,」Stephen Hawking once said, 「I reach for my gun.」

    Reply
  • 2019 年 04 月 23 日 at 13:07:31
    Permalink

    《量子世界的奧秘》一書2019.0403出版,深入淺出,言簡意賅,全方位的整體分析,所闡述的主要內容包含:從微觀到宏觀、從整體到部分、從心靈到物質之間內在的連結關係,量子理論中那些詭異又令人不可思議的特性與現象,超乎我們一般人的想像與認知,是各階層都好奇喜愛的一本全新領域書籍,對這個世界將有嶄新的認識,讓您精神與知識領域更上層樓,往上提升到前所未有的高度!
    人類千百年來,有如在漆黑的暗室中摸索尋覓未果的答案,《量子世界的奧秘》一書〝譬如一燈能破千年之暗〞,上述問題在書中都有詳細的論述,您讀完此書之後,能夠開拓您的思維與智慧,將會有如醍醐灌頂,茅塞頓開,價值非凡。當您獲得此一寶庫且有心得之後,請將此一光明以愛心散發出去,造福更多的普羅眾生,利他之後必然迴向而利己,累積自己的正能量!
    https://www.facebook.com/groups/1537583536372574/

    Reply

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *

為了避免你是機器人,請在留言前回答以下問題: