薛定谔和他的小猫猫

　　薛定谔

　　俗话说，一方水土养一方人。花花世界自然多花花公子。话说二十世纪初，灯红酒绿的巴黎有一个年轻人叫做德布罗意（De Broglie），如果你稍微对欧洲历史有所了解，那么就应该可以看出这是一个贵族的名字。事实上，德布罗意的老爸是一个货真价实的伯爵，并且还是一位手握大权的内阁部长。所以，这样一个不愁吃不愁穿只是成天愁着如何打发时光的纨绔子弟自然要找一个能消耗过剩精力的东西来磨蹭掉那些无聊的日子。不过，跟身边大多数同龄的富二代们都热衷于进行某些精神但不文明的活动不一样，德布罗意选择的是一个相当文明但不太精神的事业：研究中世纪史。在跟冰冷的古籍亲密接触了四年本科毕业后，德布罗意又突然见异思迁的对物理学产生了兴趣。我们很难想像一个此前对物理一窍不通的中世纪史爱好者能在这个艰深的领域做出点什么。5年以后，德布罗意该毕业了，结果他交上去的博士毕业论文居然仅有1页纸！正常人都可以想像出这样的一篇东西在学位论文评审委员会那里会有什么下场。不过还好德布罗意有个当大官的爹，碍于他的面子，德布罗意的导师开始四处活动，他给当时物理学界的牛人们群发推荐信来推销这篇垃圾文章，最后，靠着爱因斯坦一封大意为该论文有一些很新很有趣的思想云云的回信，评审委员会放过了德布罗意。所以，浪荡子弟德布罗意就这样“攻读”下了他的Ph.D，从此以一个博士的身份继续自己的浪荡生活。

　　花开两朵，各表一枝。关于德布罗意、官本位与学术界的辩证关系咱们先告一段落，回过头来看看当年德布罗意的导师群发的那N封推荐信，这其中有一封就寄到了维也纳大学物理系某位老教授手里。作为一个老江湖，人家当然知道这是这么回事，所以他连看都没看就随手丢给了助手—一个已近不惑的中年讲师，让他在学术例会上讲一讲这篇论文。这位讲师接到BOSS的任务，只好硬着头皮去啃这篇“言简意赅”的文章。几周后的例会上，他在讲解德布罗意的论文的时候，顺便提出了一个方程式：

　　此式一出，天下大惊，几年后那个中年讲师还因此获得了1933年的诺贝尔物理学奖。是的，这个方程式就是“薛定谔方程”，而那个中年讲师的名字就是—薛定谔。

　　埃尔文？薛定谔（Erwin Schrodinger）是奥地利人，1887年8月12日生于首都维也纳。他老爸鲁道夫？薛定谔继承了家族的油毡工厂，生意还相当不错。虽然不如德布罗意家那么显赫，不过薛定谔家也算衣食无忧，属于先富起来的那一部分人。再加上维也纳是举世闻名的音乐之都，历史的厚重与音乐的浪漫交相辉映，所以小薛定谔同学的童年生活过得相当和谐，相当无忧无虑。

　　11岁的时候，薛定谔进入了维也纳高等专科学校所属预科学校，这相当于现代的中学。虽然跟其他富家子弟一样只将少量时间花在学习上，但是薛定谔的成绩却总是名列前茅，这让他的老师们总是恨得牙痒痒的却又只能内牛满面。据其中一位老师后来回忆到，“他不是那种花上大量课余时间闷头苦学的人，特别在数学和物理学中，他具备一种强大的理解才能，能够迅速、甚至是立即抓住老师讲解的关键，并马上做出布置的习题，不用等到回家去进一步求解”。学得快，成绩又好，自然空闲时间多。

　　俗话说，饱暖思那个啥，对于一个进入青春期的、有钱有闲的热血青年来说更是如此。薛定谔虽然酷爱数学和物理，但考虑到二八年华的无知MM们可能更迷恋校园湿人和文学青年，他也开始涉猎文学，由此对学校开设的希腊语和拉丁语课产生浓厚兴趣，进而得以接触到灿烂的古希腊文学、文化特别是哲学。同时，基于“条条大路通罗马”的基本原理，为了增加额外的把妹路子，薛定谔又特别花了大量时间去学习英语。要知道，英语和法语在当时奥地利的预科学校里是不教的。此外，出于对把到妹以后某些水到渠成的事情的提前考虑和准备，薛定谔从不忘记锻炼身体保卫自己，他特别热衷于野战——哦，对不起，咱的意思是指徒步旅行和登山运动……

　　有着N条路子的薛定谔，自然在校园和校园的MM里所向披靡，战无不胜，也成了校园和M M族群里的风云人物。1906年，薛定谔以首屈一指的成绩通过毕业考试，考进了维也纳大学，主修物理和数学。维也纳大学是一所历史悠久的世界级高等学府，那里人才荟萃，仅以物理学为例，就有众多具有国际声誉的奥地利物理学家先后在大学中任教，包括发现了著名的“多普勒效应”的J？多普勒，在数学和物理领域作出无数重要贡献的A？冯？爱丁豪森，提出了有名的“斯忒藩—玻尔兹曼热辐射定律”的J.斯忒藩，还有实验物理学、生物学和科学认识论上的巨大贡献者E.马赫，统计物理学奠基人之一L.玻尔兹曼，以及后来成为薛定谔老师的理论物理学家F.哈泽内尔和实验物理学家F.埃克斯纳等。

　　而他们中的大多数人本身也毕业于维也纳大学。这里雄厚的师资，浓郁的学术气氛，加上丰富的藏书，悠久的传统，这一切都为薛定谔提供了优越的环境、充分的知识和成长发展的广阔空间。

　　天时，地利，人和。所以薛定谔如饥似渴地开始了他的大学学习，扎进了他所喜爱的数理知识的海洋。虽然这些大量的数学知识使他的爱好得到了满足，也为他以后的发展打下了良好的基础，但常识告诉我们，美女们通常很少会在图书馆和实验室出没。渐渐地，薛定谔发现自己身边的人不再是曾经那些青春洋溢的豆蔻MM fans，而变成了跟他一样的戴着啤酒瓶底眼镜片的学术宅男，偶尔出现的一两个异性也是属于长得相当抽象的类型——他郁闷，他愤愤，他呐喊，他彷徨，最后，他放弃挣扎，妥协了。于是，薛定谔把人家花前月下、泡吧FB、聊天灌水、偷菜练级的时间和精力都投进了学业里，尽管可能并不情愿，但是失之东隅收之桑榆，到了1910年5月，也就是薛定谔入学的第四年，他居然通过了获取博士学位必需的物理、数学和哲学考试，戴上了博士帽，成了一个年仅23岁的Ph.D。

　　大学毕业后的薛定谔先去服了一年兵役，在第二年的秋天回到了维也纳大学，进入维也纳大学第二物理研究所，开始了他的研究生涯。话说维也纳大学的这个第二物理研究所，这可是当时奥地利物理学人才基地，薛定谔当初就是在这里完成他的博士论文的。所以当他重返故地时，心中不禁又喜又悲——喜的是自己回到这个充满朝气、自信和动力的学术集体，这无疑是站到了一条新的起跑线上；悲的则是面对了整整4年的宅男同学同事后，还得继续面对下去。回想当年中学时，雄姿英发，再看如今，不胜唏嘘。从1910年到1914年不到四年的时间里，薛定谔作为埃克斯纳的助手，先后发表10篇论文和一篇为物理学手册撰写的关于电介质的评论。所以1914年1月，他获得了大学教师资格认可，这也是薛定谔在科学生涯中的第一次晋升，这时他才27岁。

　　虽然这一时期的薛定谔表现出了扎实的理论功底和年轻人特有的敏锐和激情，在团队中如鱼得水，挥洒自如，而且在学术界里也开始崭露头角，小有名气，可谓春风得意。但是在人生的另一方面，他还是个困难户。所以，作为一个奔三的大龄青年，薛定谔唯一的出路就是相亲（当时的浪漫音乐之都维也纳虽然跟咱现在的河蟹社会相隔万里，时隔百年，不过居然这个国情差不多， ）。经过无数番PA SS和被PA SS，他终于通过朋友介绍认识了后来成为薛夫人的安妮玛丽？贝特尔小姐。六年之后，薛定谔把一篇发表了的论文寄给他的媒人，并在献辞中写道：“1919年10月1日附录：如我所知，1913年夏季泽海姆的大气中，除了Ra-A、B、C外，肯定还有一些其他东西，而我的测电器却没能指示其踪迹。这是由于它发现了萨尔茨堡的贝特尔小姐，她吸引了作者的全部注意力。”

　　事业一帆风顺，生活甜蜜幸福，所有的这些显示出薛定谔前途远大，未来光明。但突然间，一切被第一次世界大战所淹没了。关于这场罪恶的战争，我们不想多说了，而对薛定谔个人来说，一战的结束和奥匈帝国的瓦解使他的生活发生了戏剧性的影响。奥地利作为战败国，赔款压得人喘不过气来，教育经费更是极度紧张，教师的生计难以维持，更何况薛定谔还筹划着结婚。所以，他开始考虑要找一个比较宽裕稳定的生活和工作环境。

　　1920年4月6日，薛定谔与贝特尔小姐结婚。此后，他离开了他的母校和故乡，先是移居德国耶拿，然后去了斯图加特工学院，后来又辗转来到布累斯劳大学，最终在瑞士苏黎世大学落下了脚，结束了长达一年半流离颠沛的生活。

　　虽然在当时的瑞士，大学教师还远远算不上富裕阶层，不过好歹也安居乐业了，于是在研究之余，薛定谔同学肚子里的某些腐朽的资本主义花花肠子又开始蠢蠢欲动了。其实，此公乃是一位性情中人，或者说一位多情种子，他毕生都陷于恋情的漩涡与纠葛中。咱还姑且不算他青少年时期的那些“情窦初开”，即使在成婚后仍然是激情充溢，外遇不断，其样的家庭关系，恐怕只有大理国的段正淳才有得一拼。

　　跟他当初上大学的“一心不可二用”一样，流连于温柔乡的薛同学，在学术上开始遇到各种瓶颈，而且他关于原子结构的研究本身正面临着巨大的理论困境，于是，这个27岁就当上讲师的天才，在他39岁的时候，依然还是个讲师。不过，有美人相伴的薛定谔对这种浑浑噩噩的生活倒是相当淡定，直到1926年的某一天，他看到了德布罗意的那篇1页的博士论文。据说薛定谔接到BOSS让讲讲论文的任务后，就跟某个情妇跑到维也纳的某个滑雪场去Happy了。不知道是宜人的风景还是身边的温香软玉，总之是冥冥之中有某种东西，给了薛定谔一个灵感，而就是这一个灵感，改变了物理学发展的轨迹——他竟然提出了那个著名的“薛定谔方程”！而且至此一发而不可收，从1926年1月27日到6月23日短短不到五个月时间里，薛定谔很BT的一连发表了六篇关于量子理论的论文，其内容囊括了量子理论、原子模型、物理光学、哈密顿光学、力学相似、光谱学、微就理论等众多物理学领域，并熔玻尔原子理论、矩阵力学、爱因斯坦波粒二象性思想和德布罗意相波理论等量子理论的成果为一炉，从而一举构造起集前人研究成果之大成，而在理论上严谨自洽、实际应用更为广泛有效的完整的量子力学形式体系。这不仅建立起波动力学的完整框架，系统地回答了当时已知的实验现象，而且证明了波动力学与海森堡矩阵力学在数学上是等价的，整个物理学界都为之震惊，咱们的薛定谔同学一时间也成为了享誉国际学术界的风云人物和科学明星，并于1933年获得诺贝尔物理学奖，终于收获到了辛勤耕耘十数载后的成功喜悦。

　　跟量子力学史上的其他英雄们相比，薛定谔可谓是大器晚成，要知道发表第一篇成名论文时，爱因斯坦才26岁，玻尔28岁，海森堡24岁，泡利25岁，狄拉克24岁。薛定谔本人坦承，他的科学工作，常常并非是独创性的，但他总能敏锐地抓住一些“始作甬者”的创新性观念，加以系统的构建和发挥，从而构成第一流的理论：波动力学来自德布洛意，《生命是什么》来自玻尔和德尔布吕克，而“薛定谔的猫”则来自爱因斯坦。波动力学的建立和巨大成功，最终确立了为全体物理学家所接受的量子力学理论体系，奠定了理论的发展完善及具体应用的基础。

　　从维也纳起步，在经历了苏黎世、柏林、牛津、都柏林各个成绩斐然的时期后，薛定谔满载着荣誉回到了维也纳。他被许多大学授予荣誉学位，并是包括教皇科学院、伦敦皇家学院、普鲁士（后改称德国）科学院和奥地利科学院在内的许多科学团体的成员。1961年1月4日，薛定谔闭上了他一生探索世界、寻找科学真理的眼睛，他智慧的头脑在长途跋涉之后永远地休息下来，人们把他葬在他生前钟爱的奥地利蒂罗尔山区的阿尔巴赫小山村。斯人已逝，风范长存，奥地利人民永远铭记着这位伟大的科学家，国际科学界和全世界人民也将永远铭记着薛定谔，铭记着他所建立的“薛定谔方程”和波动力学，铭记着他给人类文明留下的不朽精神财富。

　　薛定谔的猫

　　“谁敢跟我提起薛定谔那只该死的猫，我就去拿枪！”——霍金

　　斯蒂芬？霍金（Stephen Hawking）是爱因斯坦之后的物理学界盟主，也是牛顿在剑桥卢卡逊教席的继承人，对于这么一位物理界大腕，如果物理学上还有什么事件能让他烦恼的话，那一定就是薛定谔的猫。

　　霍金先生之所以对一只猫咪如此咬牙切齿，其实是源于薛定谔一个关于量子理论的理想实验。事实上，那只猫十分可怜，它被封在一个密室里，密室里有食物有毒药，毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出α粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。因为这个变态的装置是由薛定谔所设计，1935年发表在一篇题为《量子力学的现状》的论文里，所以这只猫也顺便被叫做了薛定谔的猫（Schroedinger‘s cat）。

　　我们知道，原子核的衰变是一个随机事件，物理学家目前所能精确知道的只是半衰期。

　　所谓半衰期，就是原子衰变一半所需要的时间——如果一种放射性元素的半衰期是一天，则过一天，该元素就少了一半，再过一天，则剩下1/4。但是，物理学家却无法知道，它在什么时候衰变，上午，还是下午？当然，物理学家知道它在上午或下午衰变的几率——也就是此猫在上午或者下午死亡的几率。根据哥本哈根派的学说，没有测量之前，一个粒子的状态模糊不清，处于各种可能性的混合叠加。比如一个放射性原子，它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察，它便处于衰变／不衰变的叠加状态中，只有确实地测量了，它才会随机的选择一种状态而出现。

　　那么我们现在把这个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态，根据薛定谔设计了的这个结构巧妙的BT装置，每当原子衰变而放出一个中子，它就会激发一连串连锁反应，最终结果是打破箱子里的一个毒气瓶，而同时在箱子里的还有一只可怜的猫。事情很明显，如果原子衰变了，那么毒气瓶就被打破，猫就被毒死；要是原子没有衰变，那么猫就好好地活着。

　　如果不揭开密室的盖子，根据日常生活中的经验，我们也可以轻易认定这只猫要么是死，要么是活。用专业术语说，这是它的两种本征态。但是，如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫，则只能说它处于一种活与不活的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切地知道此猫是死是活。此时，猫的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。

　　现在，问题来了，根据量子理论，由于我们没有观察，所以那个放射性原子处在衰变／不衰变的叠加状态。进而可以知道，由于原子的状态不确定，所以猫的状态也不确定。只有当我们打开箱子察看，事情才能最终定论：要么猫躺在箱子里死掉了，要么它活蹦乱跳地“喵呜”直叫。问题是，当我们没有打开箱子之前，这只猫处在什么状态？似乎唯一的可能就是，它和我们的原子一样处在叠加态，简单的说，这只猫当时陷入了一种死／活的混合状态，如果我们没有揭开盖子进行观察，那么永远也不可能知道这只猫是死是活——这显然与咱们的常识严重相违，要么死，要么活，怎么可能是不死不活，半死半活？如果打开箱子出来一只活猫，那么要是它能说话，它会不会描述那种死活叠加的奇异感受？I’mafraid not……

　　按照哥本哈根派以上的解释，只有等到打开箱子看猫一眼才决定其生死（请注意，不是发现而是决定，仅仅看一眼就足以致命！）。正像哈姆雷特王子所说：“是死，还是活，这可真是一个问题。”这就意味着，只有当你打开盒子的时候叠加态突然结束（在数学术语就是“坍缩（collapse）”），哈姆雷特王子的犹豫才终于结束，我们知道了猫的确定态：死，或者活。哥本哈根的几率诠释的优点是：只出现一个结果，这与我们观测到的结果相符合。但是有一个大的问题：它要求波函数突然坍缩，而物理学中没有一个公式能够描述这种坍缩。尽管如此，长期以来物理学家们出于实用主义的考虑，还是接受了哥本哈根的诠释。但这却违反了薛定谔方程，难怪薛定谔会一直耿耿于怀。

　　1957年，埃弗雷特提出的一个“多世界诠释”的理论，他认为其实有两只猫，一只活猫和一只死猫，而两只猫也都是真实存在的，但它们位于不同的世界中。埃弗雷特觉得问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变，而在于它既衰变又不衰变。按照他的想法，当我们向盒子里看时，整个世界就分裂成它自己的两个版本，这两个版本在其余的各个方面都是完全一样的，唯一的区别就在于其中一个版本中，原子衰变了，猫死了；而在另一个版本中，原子没有衰变，猫还活着。这两个世界将完全相互独立地演变下去，就像两个平行的世界一样。这个诠释的优点是薛定谔方程始终成立，而波函数也从不坍缩，从而大大简化了基本理论。但它的问题在于这个设想实在过于离奇，我们必须首先承认这些平行的世界全都是同样真实的。难怪有人会说：“在科学史上，多世界诠释无疑是目前所提出的最大胆、最野心勃勃的理论。”

　　OK，我知道大多数童鞋看到这儿多半已经双手颤抖，忍不住要把手上的杂志扔出去——冷静！其实这也很好理解嘛，比如电梯里有一个不知道什么东西的东西，东少进电梯去了，在东少出来之前，我们谁也不知道东少是什么状态——此时的东少处于一种非生非死的神奇领域。当然，作为一个Geek，我们怎么会光是纸上谈兵？？接着看！

　　每天早上，你拿出一个硬币抛掷，让伟大的随机性来决定今天是否给MM送早餐。所以，当MM每天打开抽屉之前，都不知道是否有早餐，而早餐的有无乃是一个独立随机事件，完全无法推测。每天的早餐对于妹子都是一个未知的神秘存在，妹子将逐渐为这一神秘的现象所吸引，最终将不可避免地对这个送餐人产生极大的兴趣，你在她的心中蒙上了神秘的面纱——这个谜一样的男子，这一刻薛定谔附体，带着量子论般深沉的哀愁，让她从此不能自拔！“薛定谔把妹法”将“早餐把妹”这样一个物理现象提升到了科学研究的领域，欢迎广大Geek深入研究，开创“早餐把妹学”的历史新篇章！（如有雷同，就让它雷同吧……）