量子力学创始人之一的手稿,在奥地利一家图书馆里吃了八十多年灰。三页纸,短得不能再短,却藏着一场关于量子力学最激烈争论的失落发言。
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把它翻出来的是日内瓦大学的物理学史学者弗拉维奥·德尔桑托(Flavio Del Santo)。手稿里写的东西,和很多人对薛定谔的印象正好相反。
人们常把薛定谔描绘成一个对量子随机性浑身不自在的人。但这份手稿显示,他认为宇宙中确实存在无法预测的部分——而且这个信念,早在1920年代量子理论登场之前他就有了。
他在手稿里写:“为不确定性辩护的最强呼声,比量子力学更古老。”
要理解这句话的分量,得先分清两套世界观。
经典物理里没有真正的随机。骰子有缺口和瑕疵,会影响它怎么滚;计算机的随机数发生器通常由算法驱动;就连抛硬币,理论上也受物理规律支配,只要条件齐全就能算出来。这套东西叫决定论:每一个经典行为都由它之前的状态决定,哪怕我们并不知道那些状态是什么。
量子力学不按这个鼓点走。在量子尺度上,光子、电子这类粒子的行为只能用概率预测。我们能以极高精度算出某个结果出现的可能性,却没法确定单个粒子会做什么。
于是问题来了:宇宙本质上是随机的,还是存在量子力学尚未纳入的隐藏因素?这些假想中的因素叫“隐变量”——如果真知道它们,物理学家就能预测单个粒子的量子行为。
1932年,数学家约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)发表了一份被广泛解读为“数学证明”的东西:隐变量不可能存在。这个论证分量很重,此后十多年,隐变量模型的研究基本停摆。
不是所有人都买账。1935年,数学家格蕾特·赫尔曼(Grete Hermann)在冯·诺伊曼的推理里戳出了明显的漏洞。但她的批评基本被无视了——原因大概不难猜。
到了1940年代中期,两位知名物理学家无意中把隐变量的争论又搅了起来,方式是反着来的:他们公开反对隐变量,站在冯·诺伊曼一边。
1943年5月,数学家兼物理学家埃德蒙·泰勒·惠特克(Edmund Taylor Whittaker)做了一场演讲,主张量子力学终于推翻了经典的决定论。他说,和抛硬币那种表面随机不同,量子随机是真的随机,再多信息也无法让单个结果变得可预测。
1944年1月,物理学家萨特延德拉·纳特·玻色(Satyendra Nath Bose)在印度科学大会上讲了类似的话,宣称“物理学家获得了知识,却失去了信仰”——对自然决定论规律的信仰。
这下点着了干柴。1944年7月,数学家亨利·皮亚焦(Henry Piaggio)在《自然》杂志发表《决定论的崩塌》,报道了玻色的论点。一批并不认为决定论已经入土的物理学家纷纷回信。
接下来几个月,争论在《自然》的版面上铺开,研究者们逐条拆解“隐变量不可能”的说法,包括惠特克那个看起来很简单、用光子和偏振光做的例子。
惠特克的演示是这样的:光子穿过偏振片,量子力学能算出在某个角度下有多大比例的光子会通过。但他论证,如果每个光子都带着一条隐藏指令、决定它过不过,那么在光子飞行途中改变偏振片角度,这条指令就失效了。所以他得出结论:结果不可能由隐变量预先决定。
薛定谔一直在看这场争论。1944年11月之后的某个时候,他写了一份回应,标题也叫《决定论的崩塌》——那场争论里同名的文章有好几篇。
他指出了惠特克论证里的一个关键缺陷。
惠特克假定每个光子的隐变量只有两个可能取值:一个决定通过,一个决定被反射。薛定谔说,没有任何理由把隐变量限制成两个值。如果它可以取0到1之间的任意值呢?
他随后构造了一个数学模型,让结果同时取决于光子的隐变量和偏振片的角度。只要规则设对,这个模型就能复现量子力学预测的概率,而不需要每一次单独互动都是随机的。
模型的第二部分同样重要:薛定谔设计了一条确定性规则,用来在光子穿过偏振片之后更新隐变量——这意味着他的模型可以继续复现后续测量的预测。
关键在于,他并不是因为自己信决定论才去捍卫它。他捍卫的是决定论的“可能性”,针对的是那些断言它不可能的具体说法。
他写道:“实验证据加上逻辑推演,永远无法证明决定论或非决定论哪一方是不可能的。”
这份回应,从未见光。
他为什么没发表,至今是个谜。德尔桑托有一个可能的解释:1944年,物理学家海因里希·佩尔策(Heinrich Pelzer)发表了类似的隐变量模型,证明惠特克的论证站不住脚。薛定谔可能知道了佩尔策的工作,觉得话已经有人说过了。
但薛定谔的模型走得更远:它给出了明确的数学规则,说明光子的隐变量在穿过偏振片后如何变化,因此能处理连续多次测量。
无论原因是什么,手稿一直没发表,保存在奥地利的一处档案里,直到德尔桑托在八十多年后把它翻出来。
故事还有另一层转折。
薛定谔常被描绘成决定论的旗手,但他本人的哲学立场相当不同。早在1920年代、现代量子力学尚未成形时,他就主张自然规律可能是根本统计性的,而不是由一套完全可预测的钟表机构支配。受物理学家弗朗茨·埃克斯纳(Franz Exner)影响,他甚至把经典决定论称为“一种哲学偏见”和“一种先验信念”。
这份未发表的手稿说明,到1940年代他的立场没有根本改变,后来也没有。
德尔桑托写道,薛定谔“早在量子力学之前、并且独立于量子力学,就对不确定性形成了异常坚定的信念,并贯穿了他的整个学术生涯”。
德尔桑托的结论是,像薛定谔这样的模型,“充当的是针对普遍信念或所谓不可能性断言的原则性证明,而不是对决定论的信条式表态”。
1940年代那场《决定论的崩塌》之争,今天基本被遗忘了,但物理学家在它的核心立场上依然分裂。
也许从薛定谔这份迟到的发言里能学到的,是保持开放。给出“薛定谔的猫”的那个人,留下的问题本身也像那只猫:宇宙是决定论的,还是不是?两种答案,至今都还悬着。
相关论文可在预印本服务器 arXiv 上查阅。
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