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关于薛定谔,你不知道的七件事

来源:中科院物理所 2017-03-16     

  作者:Alex Santoso

  译者:Camelion

  审校:Alex Yuan

 

图1 在真诚地追求知识的过程中,你会经常地忍受不定期地被忽视的感觉。

  可以打赌的是,当听到“薛定谔”这个词时,你立马想到的肯定是薛定谔的猫。但你有没有真的了解这个著名悖论背后的这个男人呢?

  小编这里给你提供的有关薛定谔的故事绝对是纯净版。保证,没有物理!

  一 、薛定谔是怎么想出波动方程的?

  瑞士物理学家弗里克斯·布洛赫讲述了波动力学诞生的故事:一天,诺贝尔奖获得者皮特·德拜说:“薛定谔,你现在工作的方向不对啊,没在重点上。要不你回去研究研究,回头给我们讲讲德布罗意的工作怎么样?听说现在好多人在搞这个啊。”

图2 布洛赫(左)、德拜(中)、薛定谔(右)。三位都是诺贝尔奖获得者 。

  于是薛定谔就干了。他回去查查论文,然后就做了个报告,讲了讲法国那个哥们路易斯·德布罗意的假设,即物质也有波的特性。报告完后,德拜却不认同这个报告的内容,觉得这样的想法“很傻很天真”。他指出:“要处理波的特性,你起码得有一个波动方程才行啊。”

  薛定谔就把这话放心上了。很快他离开妻子,到瑞士阿尔卑斯山去度两个半星期的小假——只带了德布罗意的论文,维也纳的一个情人(具体是谁现在还是个谜)以及两颗珍珠。情人还好理解,带珍珠干嘛?!别急。原来他向自己的情人“请教”以期获得灵感的时候,会把两颗珍珠塞进耳朵里,让自己的世界安静下来,这样才好开始着手波动力学的工作。

  阿尔卑斯山麓的小长假结束后,回去他就做了个报告,报告上薛定谔说:“之前德拜给我提了个建议,说应当有个波动方程——好,现在我有了。”

  图3 薛定谔及薛定谔方程

  数年后,布洛赫跑到德拜那儿,问他这段经历。德拜却说:“啊,有吗?我忘了。”不过布洛赫觉得吧,估计德拜是后悔了,当时就不该给薛定谔提建议去做这个方程,而应该自己干。不管怎么说吧,德拜转头又问布洛赫:“我这么做应该是对的吧?”

  关于薛定谔老师是如何推导出薛定谔方程的详细过程,大家可以猛戳链接《不能说的秘密:薛定谔方程是如何推导出来的》。

  二、薛定谔纸币

  曾经有一个物理专业的博士后跟我说:“物理中没有金钱”。这也许是对的。不过金钱中却有物理!

  图4 图5 奥地利1000先令(流通时间为:1983年-1997年)。正面是薛定谔的头像,背面是维也纳大学。

  瞧,薛定谔纸币,1983年开始流通,1000先令,是奥地利货币中是第二大的面额了(最大的是5000先令),放在现在大概值五张半的毛爷爷。不过很遗憾,到1997年就不再流通,换成了奥地利著名的医学家、生理学家卡尔·兰德斯坦纳。毕竟世界这么大,牛人这么多,得风水轮流转嘛。好希望能时光逆转,去奥地利换张1000先令的薛定谔回来供着啊。

  图6 图7 奥地利现在流通的1000先令。正面和反面都是卡尔·兰德斯坦纳。兰德斯坦纳是生理学诺奖获得者,是他首先发现我们的血液分A,B,O,AB四种类型的,在他之前输血是会死人的。

  三、薛定谔不仅仅是搞物理

  他除了去领领诺奖,参加些物理学的会议外,不忙的时候他其实非常喜欢滑雪、溜冰、游泳或者爬山的。薛定谔的大名,除了做物理的人耳闻能详外,他也是生物领域的大牛,估计没有几个学生物的人不知道他的杰作《生命是什么》,这本书给生物界带来了多大的“地震波”真的难以估量;据说搞清除DNA螺旋结构的沃森和克拉克就深受此书影响。物理和生物之外,他还会搞搞哲学、伦理学和宗教研究。

  图8 《生命是什么》英文本和中译本。书中主要观点认为,物理学和化学原则上可以诠释生命现象。

  四、薛定谔的双重婚姻

  不管薛定谔的猫是死是活,那都是量子概率的问题,但关于薛定谔的婚姻却没有什么不确定的。他公开承认他有很多情妇,包括他物理同事Arthur March的老婆Hilde March。不过不用担心薛定谔的妻子Anny——Arthur也会时不时陪她去睡个觉。(感觉好混乱……)

图9 女士们怎么能抗拒得了这个蝴蝶结呢

  1934年,Hilde给薛定谔生了个女儿;1938年纳粹将要入侵奥地利之际,他携带着自己的老婆,以及别人的老婆(Hilde)一块去了爱尔兰。在爱尔兰两个女人又分别(!)同时(!)给他生了两个女儿。

  图10 薛定谔的妻子及情人。左侧为Ithi Junger,中间为Hilde March,最后一个为薛定谔的妻子Anny。

  五、薛定谔“复活”——在《飞出个未来》(Futurama)剧情中

  图11 Futurama Wiki中关于薛定谔(角色)的介绍。薛定谔被认为出生于1887年,死于1961年,但被人在公元3011年的纽约街头看到。所以有可能他并没有死,而是被冷冻起来了。

  注释:《飞出个未来》是一部美国喜剧漫画及动画片,曾荣获过艾美奖。主要讲述一个前纽约外送披萨的小店员 PhilipJ. Fry ,在 2000 年即将到来前的几秒钟被低温冷藏了起来,然后在未来的 2999 年新年前夕被解冻,之后在未来世界冒险生活的故事。在这个片段中,薛定谔已经 1129 岁。

  在《飞出个未来》的一个片段中,薛定谔复活了。由于他违反交通规则,超出光速15英里/小时(c+15英里/小时)行驶,且携带一个装有猫、毒药和铯原子的盒子,于是遭到人民警察Fry和URL的追捕。

图12 图13 剧照。

  FuturamaWiki(官方指南)中剧本是这样的:

  【环形城, Fry 和 URL 用枪指着薛定谔】

  Fry : DNA 和身份芯片!

  「薛定谔举起他的手, Fry 用一支枪刺了一下,弹出一个全息图写着: NNY DMV , ERWIN SCHRÖDINGER 以及薛定谔的照片」

  URL : 埃尔温·薛定谔,嗯?盒子里是什么,薛定谔?

  Sch : 呃 …… 一只猫,一些毒药,还有一个铯原子。

  Fry : 猫!活的还是死的?「薛定谔还没来得及回答」活的还是死的?「 URL 将薛定谔推向车门,警告他。」

  URL : 回答,笨蛋!

  Sch : 它现在是两种态的叠加,直到你打开它,让这个波函数塌缩 ……

  「 Fry 进入车中」

  Fry : 闭嘴 ……

  「 Fry 打开盒子,一只猫跳出盒子,撞上 Fry 。 Fry 尖叫一声。 URL 钻进车里仔细看了一下盒子」

  URL : 这还有大量毒剂。

  ……

  六、薛定谔对他建立的量子力学说:“我不喜欢它。”

  这个人中鬼才的物理学家到底是怎么看待量子力学中的几率解释的呢?薛定谔自己曾说:“ 我不喜欢它,我真的很为我做的这些量子力学的事情感到抱歉。” 之后物理学家Gregor Wentzel 对他说:“ 薛定谔啊,幸亏其别人比你自己更相信你的那个方程……”

图14 量子力学入门,学过量子力学的同学应该能够看懂其中很多公式。

  七、薛定谔的猫只是薛定谔取笑量子力学的一种方式

图15 注意薛定谔的猫!这是一个陷阱!

  现在我们回到薛定谔的猫,还记得它吧。讽刺的是,薛定谔的这个著名的思想实验实际的目的只是为了取笑量子物理的奇怪特性的。

  在1935年,爱因斯坦,Boris Podolsky,和Nathan Rosen合写了一篇论文,提出了量子纠缠的奇怪本性——一个量子系统的态并不是确定的,直到它实际中被测量。

  所以,薛定谔写了:

图16 思想实验之薛定谔的猫。

  我们可以构建一个相当荒谬的案例。一只猫被关在一个铁箱子里,箱子里还有以下装置(这些装置猫是触碰不到的):在一个盖革计数器中,放入少量放射性物质,很少量,在这节课的一个小时内可能只有一个原子衰变,但也有同样的概率,没有衰变;如果衰变发生,计数器管放电,通过一个延迟释放的锤子击碎一个小烧瓶中的氢氰酸。如果我们把这个系统放那一小时,如果这段时间没有原子衰变,我们可以说猫还活着。用 函数来表示这个系统的状态的话,它将是一个活猫和死猫的混合态。

图17 在为打开箱子之前,系统处于活猫和死猫的叠加态。

  这是一个典型的将约束在原子区域的不确定转变为宏观不确定的案例,而宏观不确定性可以直接通过观测确定下来。这让我们不能如此天真地接受一个“模糊的理论模型”来代表现实。而这个案例与那些摇晃的或没对焦的相机以及云室、雾室的快照不同,它本身并不包含任何不清晰的或矛盾的事情。

[责任编辑:xujinghui]

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