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作者: jfsu (水精靈) 看板: Gossiping
標題: Re: [問卦] 薛丁格的貓的卦?
時間: Wed Jul 22 13:37:48 2015
※ 引述《a6571361 (劉小佑)》之銘言：
: 薛丁格的貓 思想實驗
: 有沒有強者能具體的說明
: 這個實驗 有沒有卦
: 求解
: 求大神解釋
先談談薛丁格本人的事，之後會略述那著名的實驗。
埃爾文‧薛丁格（德文：Erwin Sch?dinger，1887.8.12－1961.1.4），對岸強國人
譯為薛定諤，奧地利理論物理學家，量子力學的奠基人之一。1933年和英國物理學家
狄拉克共同獲得了諾貝爾物理學獎，被稱為量子物理學之父。
與現代物理量子理論發展史上的名人相比，薛丁格算是大器晚成。底下摘錄第一篇
使他們成名的論文發表時間：
愛因斯坦：26歲（1905, 特殊相對論）
波 耳： 29歲 (1914, 原子模型)
海森堡： 26歲（1927, 測不準原理）
包 立： 25歲（1925, 包立不相容原理）
狄拉克： 26歲 (1928, 狄拉克方程式)
薛丁格： 39歲 (1926, 薛丁格方程式)
一般來說，年輕的科學家較容易跳出舊的理論框架，薛丁格以一個中年大叔的年齡在
全新的思想路線上能有重大的開拓，算的上是奇行種！中年男子真的是令人摸不透啊！
換個角度思考，各為鄉民在這個年紀，都在做些什麼呢？
1887年，薛丁格誕生在奧地利的維也納埃德伯格（Wien Erdberg），父親經營一間
小油布工廠。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。
畢業後，他隨即進入維也納大學修習理論物理學，當時該學院的教師波茲曼自殺身亡
註:
波茲曼，(Ludwig Boltzmann,1844～1906)奧地利物理學家，在統計力學的理論有重大
貢獻，以其為名作為紀念的波茲曼常數在此領域相應地具有相當重要的地位。他一生在
與自己的學術對手作鬥爭，被迫不停的宣傳分子論。學術的論戰與加諸在他身上的人身
攻擊，最終波茲曼選擇自殺來結束自己的生命。不幸的是，他一死，他的對手就承認了
分子論。
當時，薛丁格被校園的悲痛氣氛感動，他決心以波茲曼的研究課題為自己的主修方向，
立志完成波茲曼未竟的事業。
於是薛丁格拜師波茲曼的弟子理論物理學家哈澤諾爾與實驗物理學家埃克斯納的門下。
連續八個學期他參加了每週五次哈澤諾爾的理論物理講座，學習統計力學、漢彌爾頓
力學與連續介質力學中的本徵值，這些成為他後來建立波動力學理論的基礎。薛丁格
在1933年與狄拉克獲得諾貝爾物理獎時，強調說：『假如哈澤諾爾沒有去世的話，那麼
他現在當然會站在我的位上。』
1910年在哈澤諾爾的指導下獲得了博士學位，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。之後，他留校擔任埃克斯納的助手，受到了實驗科學方面的
嚴格訓練。
1921年，他來到蘇黎世大學，擔任曾經由愛因斯坦與勞厄擔任過的教授職位。不過，
早在世紀之初，物理學的三大發現使經典物理學山雨欲來，之後的量子論與相對論更使
傳統理論搖搖欲墜。以往是真理的理論，現在卻變得可笑。波茲曼就是走不出這混沌
世界、理不出頭緒，在憤懣中自殺。在拉塞福發現原子結構後，他的學生波耳在1914年
把量子論與電磁理論結合，成功地提出原子結構的量子理論，特別是軌道量子化。
之後，海森堡等人建立了描述微觀粒子狀態的矩陣力學，突破了量子理論的舊格局。
只不過，矩陣力學的高度抽象性與繁雜的數學運算，使得一般的原子物理學家怯步不前。
1924年，法國物理家德布羅依(De Brogle, 1892~1987)的波粒二象性，為薛丁格建立
波動力學打開了一扇大門。不過，德布羅依的理論對於當時的物理學家而言又是一個
奇行種，只有愛因斯坦從中看出其中端倪，好比巨人的秘密原來就是…，於是他在
1925年發表的理想氣體量子統計的論文中引用，這也引起了研究氣體統計問題的薛丁格
注意。
自1926年1月到6月，薛丁格連續發表了6篇關於量子力學的論文，將波耳理論、海森堡的
矩陣力學、漢彌爾頓相似關係與德布羅依的理論合而為一，使得波動力學成為一個
有效的完整體系。由於它不像矩陣力學那樣難懂，而是採經典理論常用的偏微分方程
描述方法和易於理解的概念。（薛丁格方程式所屬的波動力學可以變轉換為海森堡的
矩陣力學，或理察‧費曼的路徑積分表述。薛丁格波動方程式的解，清楚地描述量子
系統裏，量子尺寸粒子（像電子、質子、正子）的統計性量子行為。
一天，他接到來自愛因斯坦的來信，信中說：『你的文章的意思表現出真正的獨創性。』
這句話使得他非常感動，他憶起過世的波茲曼，想起昔日校園內同學們嚶嚶的啜泣聲。
他的淚水在眼眶內打轉，心中默唸：「感恩師父！讚嘆師父！我們終於在渾沌世界中
又找回了真理！」
他的朋友看到薛丁格讀完信後一直看著天空，便問他為什麼。
他靜靜地說：『一直看著天空，也只是不讓淚水決堤而已。』
目前科學史學家可以確定的是，在薛丁格發現這個舉世聞名的方程式時，他到底在
做些什麼？很明顯的，薛丁格是崇尚『自由戀愛』。在他外出時，身旁常有妻子或是
情婦作伴，甚至他還將自己和愛人的相處情況鉅細靡遺地記錄下來，還用了一些複雜的
代碼來表示他每一次的邂逅，ex: ob'_'ov 、 (bdﾟ∀ﾟ)
他在創造出這個著名的等式時，他正在阿爾卑斯山上的荷薇山莊(Villa Herwig)與
其中一位女友共渡週末：杜蕾斯 on (trace on)！
這叫眾多去死去死團的宅宅們情何以堪！！
後來他用該方程式來解氫原子的波函數，得到波耳的電子繞原子核運轉的模型實際上是
錯的！電子並非循著特定的軌道繞行原子，而是以波動的方式在原子核周圍運動！
所以大家請把腦袋中那個早期傳統的電子繞原子核運轉的畫面擦掉，雖然媒體、廣告
常用這個來代表科學。
簡而言之，電子確實是粒子，只不過要找到這個粒子的機率是由薛丁格的波動方程式
決定；波越大，代表找到特定粒子的機率越高！
不過，薛丁格、德布羅依與愛因斯坦認為這個方程式所反映出來的波是物質粒子的波，
但是，波耳、海森堡與玻恩卻是認為那是機率波，波函數是微觀粒子出現在某一個地方
的機率。也因此，隨機與機率便闖入了物理學，這讓薛丁格本人甚至是量子理論始祖的
愛因斯坦，都對這樣的結果表示驚訝，『量子力學確實值得尊敬，…至少我不相信
上帝是在擲骰子！』 他認為，「量子理論越成功，它就越愚蠢！」
是否願意接受祝福(Y/n？ Yes！
是否願意接受量子論(Y/n？) No！
但很意外的是，薛丁格最有名的研究卻是1935年所提出的一個思考性實驗：薛丁格的貓，
用以解釋量子論和我們實際經驗間的一個主要矛盾，如下所述：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。
放射性原子有50%的機率會在一小時內衰變，如果發生的話，毒氣瓶會破掉，將貓毒死；
假如沒發生，就不會釋放出毒氣，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，但其基本的原理終於在1996年被實驗證明
出來。（當然，科學家所使用的並非活的貓，而是帶正電的鈹。實驗發現，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。）
最後，薛丁格晚年一直致力於用量子力學來促使生物學和物理學的統一研究，他用
波動力學的最新成就和方法剖析生命現象。1944年，【生命是什麼】一書出版，
再一次地推動量子生物學的發展。
1953年，克里克與華生在威爾金斯的X射線繞射的資料基礎上，發現了DNA的雙股螺旋
結構，就是在薛丁格的感召下，發動了一次漂亮的生物科學革命！
參考書籍：
1.《物理雙月刊》（三十卷二期） 2008 年4月 本月物理史
2. 薛丁格（Erwin Schr?dinger）的弔詭貓（譯自APS News，2002年3月）
3. 科學五千年（8）
4. 20世紀最偉大的科學實驗
5. 物理之書 (時報出版社)
6. 屬性同好會 高尾部長