作者｜David Kaiser

編譯｜Mumu Dylan

 

　　1935年奧地利物理學家薛丁格（Erwin Schrödinger）提出了著名的思想實驗「薛丁格的貓」（Schrödinger's Cat），以荒謬和有點殘忍的案例反駁爭論不休的量子力學問題。當時物理界分成了兩派：波耳（Niels Bohr）和海森堡（Werner Heisenberg）主張，貓咪身處既死又活的疊加態是大自然的基本特性；而其他像愛因斯坦（Albert Einstein）等人，則堅持認為大自然必須作出抉擇，無論貓咪是活還是死並不能同時存在。

 

　　1935年夏天與愛因斯坦的密切對談和交換想法中，薛丁格建構出這則經典的思想實驗。兩人的友誼要從1920年代末說起，當時愛因斯坦早已因為提出相對論而聲名大噪，比起科學他更常將行程安排在全球議題上，例如跟國際聯盟委員會開會或是宣揚猶太復國主義；而薛丁格則在1927年升職為柏林大學教授，並在一年後提出了量子力學的波動方程式（即薛丁格方程式）。由於兩人都住在柏林，因此時常見面談論科學，也會在薛丁格位於維也納的家中舉辦派對，或是到愛因斯坦避暑別墅的湖邊划船。

 

　　但過沒多久，希特勒在1933年初上台成為德國總理，這段美好的交流因而中斷。當時正在美國加州拜訪學術同仁的愛因斯坦準備回國時，納粹突襲了他在柏林的公寓和避暑別墅，並凍結了其銀行帳戶。愛因斯坦迅速做好安排轉往紐澤西州普林斯頓居住，並辭去了普魯士科學院的職務，成為新設立的普林斯頓高等研究院（Institute for Advanced Study）的首批研究人員。

 

　　與此同時，雖然薛丁格不是猶太人，在政治上也比愛因斯坦來得低調許多；但納粹隨即在春天發動的大規模焚書運動，以及將猶太裔教師和官員清出教育體系的舉動，讓親眼看著這齣荒謬劇上演的薛丁格，決定接受牛津大學獎學金離開了柏林。八月時，他在旅途中寄給愛因斯坦的信裡寫道：「不幸的是，最近幾個月心情無法平靜思索任何學術研究事情。」

 

 

　　藉著這封信件兩人再次搭上線，只是從原本悠閒的漫步對談，換成了跨大西洋的郵政系統。在1933年納粹破壞以前，兩位物理學家早已對量子理論付出了巨大貢獻，也先後獲得了諾貝爾物理學獎。除此之外，兩人也都對同行解釋波動方程式的方式逐漸感到失望，而信紙和郵票讓他們重拾了熱情。

 

　　1935年5月，愛因斯坦與高等研究所的兩位年輕同事鮑里斯‧波多爾斯基（Boris Podolsky）和納森‧羅森（Nathan Rosen）共同發表了著名的「EPR悖論」，他們批評波耳和海森堡提出的「哥本哈根詮釋」並不完備。愛因斯坦等人認為，物理對象應包含現實要素（準確數值和性質），然而量子理論卻只提供機率。

 

　　在寄給薛丁格的後續信件中，愛因斯坦請他想像將一顆球放進兩個相同封閉盒子中的其中一個：在打開任一封閉盒前，在第一個盒子裡能找到球的機率是50％。愛因斯坦不認為這是一個完整的論述，並堅持原子領域的合適理論應該能夠計算出精確的值，假如只能計算出機率還遠遠不夠。

 

 

　　在薛丁格熱情回覆的鼓舞下，愛因斯坦更進一步強化了盒中球的比喻。如果物理學家談論的微觀過程放大到宏觀尺寸呢？愛因斯坦在八月初寫給薛丁格的信中，提出了全新的情景：想像本質不穩定的火藥，很可能一年內都不會爆炸；但經過一段時間後情況就變了，火藥將處於爆炸與不爆炸的混合狀態。愛因斯坦堅持認為，波耳和所有的物理學家都不應接受這種無稽之談，因為「現實中不存在介於爆炸與未爆炸之間的重疊狀態」，大自然必須從兩者中擇一，而物理學家亦然。

 

　　然而，愛因斯坦本可用其他宏觀案例來批評量子的機率描述，但他卻特別選擇了會造成明顯損傷的火藥爆炸。這或許是受到了時空環境的影響，為反映出當時歐洲持續惡化的景像。早在1933年4月，愛因斯坦曾寫給一位同事描述他對希特勒這類「病態煽動者」上台的看法：「我相信你明白我是多麼確信所有事物之間的因果關係。」而量子就和政治一樣；他在給另一位同事的信中提到，他驚恐地觀察到「德國人正秘密地大規模重新武裝，工廠日夜不停地運作製造（飛機、輕型炸彈、坦克和重武裝）」，大量地炸藥即將引爆。1935年，愛因斯坦甚至公開放棄先前的和平主義承諾。

 

　　或許是受到與愛因斯坦對話的啟發，薛丁格開始著手撰寫一篇題為《量子力學的現狀》（The present situation in quantum mechanics）的長篇論文。而在收到愛因斯坦描繪火藥的信件約十天後，薛丁格用戲劇性的轉折取代了火藥：一隻活生生的貓咪。

 

　　薛丁格在回信裡寫道：「在密閉地鐵容器中放一個蓋革計數器和極少量的鈾，由於量少以至於在接下來的一小時內，一個原子衰變的機率就和沒有衰變的機率相同。當第一個原子衰變發生，蓋革計數管放電並透過繼電器啟動榔頭打碎一小瓶氫氰酸。而殘忍地是，鐵容器內還關著一隻貓咪。」愛因斯坦很高興回應：「你的貓說明了我們觀點相同。同時包含活貓與死貓的波函數，是無法當作真實狀態的描述。」

 

 

　　收到愛因斯坦九月回信的幾個月後，薛丁格將這則貓與毒藥的比喻刊登在雜誌《自然科學》（Die Naturwissenschaften）上，原本差點沒有印刷出版。起因是當薛丁格投稿給雜誌的幾天後，創始編輯、猶太裔物理學家阿諾德‧柏林納（Arnold Berliner）遭到解僱，薛丁格本想撤回稿件以表達抗議，但最後被柏林納親自說服。

 

　　薛丁格的擔憂不僅只有柏林納遭受的不公事件，除了毫不掩飾地厭惡納粹政權，他在被迫逃離柏林途中，甚至變得開始相信宿命論，他在日記裡寫道：「也許我從這個世界學的還不夠多，也許是我還沒準備好面對這個世界……」到達牛津大學後，拜訪的朋友也注意到他整天鬱鬱寡歡，並且日復一日惆悵地看著新聞。

 

　　然而，歐洲仍繼續深陷在黑暗中。「薛丁格的貓」發表的幾年後，同樣的毒物氫氰酸（代號為 Zyklon B）被納粹工程師無情且高效率地應用在毒氣室，奪走了數百萬的無辜性命。1942年3月，《自然科學》的前編輯柏林納在關入集中營前選擇了自殺；他的生命無法像薛丁格的貓既死又活，最終走向悲慘的確定性。

 

　　從盒中球變成會爆炸的火藥，再從火藥演變為貓咪的生與死。薛丁格以毒藥、死亡和毀滅作為案例並非巧合，面對當時即將到來的世界大戰、種族滅絕和德國精神崩壞，薛丁格的貓不僅向世人闡述量子力學的光怪陸離，也反映出那個時代的樣貌：原本寬廣的世界變得越來越險惡、奇怪且難以理解，而科學家就和普通人一樣感到懼怕無助。

 

參考報導：Nautilus