观念史、教辅与科普作品

——评Gribbin的两本关于“薛定谔的猫”的书

方在庆

 

记得当年学物理时,大多数教材都是公式来,公式去。严谨是严谨,但大
多没有留下太深的印象。只有一套翻译的伯克利物理学教程,让我终身难
忘。在讲到何为“不可逆过程”时,它是这样说的:“正如我们不可能从
成人变成小孩,再退回到母亲的子宫一样”。这句现在看来很平常的话,
在当时国内的教科书中是不可能出现的。好多人学完物理后,也弄不清那
些物理学家的国籍,他们除了教科书上的公式和方程外,还做了些什么,我
们不得而知。也从来没有想过,这些物理大家是否也犯过错误。这种割断
历史的教学法,理所当然是不会激起学生的兴趣的。

在看过约翰·R·格利宾(John R. Gribbin)写的两本“薛定谔的猫”的
书(这里指原著,而不是中译本。中译本存在不少问题,请参见田松的评
论文章)后,我不由得感慨万千。这是两本真正让外行,更不用说专业人
员也着迷的科普读物。要是我们的教科书或辅导教材也这样来写,那该多
好!

两本书的作者格利宾今年51岁,先在Sussex大学学习物理学,后改学天文
学,在剑桥大学获得天文学博士学位之后,加入《自然》杂志,最初只是
审读一些与天文学有关的稿件,后来他必须按时向BBC的世界报导提供一
些科学进展方面的消息,因而促进他的兴趣转移,开始了写作生涯。他最
初关于气候变化方面的文章获得了好评,更进一步地激励了他的写作欲望。
在过去的20年间,他写了大量的科学普及读物,许多书都成了销售书,其
中包括这两本出版时间前后相差十年的书在内。他的书被翻译成30多种语
言,他也频频地在电视和电台露面。从1993年开始,他一直在Sussex大学
天文学系做访问研究,主要从事宇宙的年龄测定问题。他的社会活动不断,
用于科普写作的时间远大于学术研究,这恐怕也是他没有把研究作为主业
的原因,但我想,这也是保持他的写作自由的一个最好的方式。他目前正
与妻子一起写一本《混沌与不确定性》的书,并为企鹅(Penguin)出版
社写一本《文艺复兴以来的科学史》。2000年,他被选为皇家文学院的院
士。这对于他的科普写作多少是一种承认。

格利宾博士在写第一本关于“薛定谔的猫”的书,即中译本的第一篇:
《寻找薛定谔的猫》时,首先是想向外行解释20世纪物理学以外的其他科
学分支中的秘密;其次,他不能容忍在科学界以外所存在的一些对量子理
论的误解。当时有一本名为《东方神秘主义与物理学之“道”》(F.
Capra著,国内曾出过编译本)的书引起了轰动,许多人竞想效仿。而这
些人既不懂“道”,也不懂物理学,只想借机大赚一笔。这也从另一方面
表明,有关量子力学的解释还有很多问题。

格利宾博士反其道而行之,他认为“科学……不需要穿上从别处得来的哲
学外衣,因为它自身就充满光明、神秘和惊奇。”由于“薛定谔的猫”涉
及到量子理论的整个发展过程,他利用丰富的历史事实和最近的科学进展,
对与量子力学息息相关的问题:“什么是真实的?”这一问题给出了回答。

埃尔温·薛定愕在20世纪20年代中期创立了现在被称为量子力学分支中的
一个方程。量子理论是20世纪科学的最大进展之一,从某种意义上说,它
比相对论具有更大意义。但由于量子力学对传统观念所带来的巨大冲击,
连“量子”的提出者在内都想尽各种办法拒绝它,和做出各种调和性的解
释。事实上,薛定谔就被量子力学的结果弄得心神不安,他不喜欢波粒二
象性的二元解释以及波的统计解释,试图建立一个只用波来解释的理论。

薛定谔尝试着用一个理想实验来检验量子理论隐含的不确之处。

设想在一个封闭的匣子里,有一只活猫及一瓶毒药。当衰变发生时,药瓶
被打破,猫将被毒死。按照常识,猫可能死了也可能还活着。但是量子力
学告诉我们,存在一个中间态,猫既不死也不活,直到进行观察看看发生
了什么。

量了力学告诉我们:除非进行观测,否则一切都不是真实的。爱因斯坦和
少数非主流派物理学家拒绝接受由薛定谔及其同事创立的理论结果。爱因
斯坦认为,量子力学只不过是对原子及亚原子粒子行为的一个合理的描述,
是一种唯象理论,它本身不是终极真理。他说过一句名言:“上帝不会掷
骰子。”他不承认薛定谔的猫的非本征态之说,认为一定有一内在的机制
组成了事物的真实本性。他花了数年时间企图设计一个实验来检验这种内
在真实性是否确在起作用,但他没有完成这种设计就去世了。

后来,许多科学家沿着这条思路走下去。如玻姆就提出了“隐变量”的概
念。格利宾博士花了大量的篇幅来描述这种变化,非常生动有趣。他从光
是波还是粒子的争论开始,结合科学家本身的历史作用,相继讲述了波动
理论的胜利;19世纪的原子概念;爱因斯坦的原子概念;电子、离子、X
射线、放射性的发现;量子概念的提出;玻尔的原子解释;电子跃迁;光
的粒子性;波粒二象性;电子波;泡利和不相容原理;矩阵和波;薛定谔
理论;反物质;原子核的内部结构;激光器和受激辐射微波放大器;功能
强大的显微术;超导体;不确定性的意义;哥本哈根解释;双扎实验;互
补性原理;EPR佯谬;贝尔实验;时空的扭曲;对称性破缺以及超引力等
引人入胜的主题。

诚如作者所指出的,“探索薛定愕的猫就是寻找量子的真实性。简单总结
说,好像这种寻求是没有什么结果的,因为不存在日常词汇中的真实性。
但这不能算完,寻找薛定愕的猫可以引导我们对瞬间的真实性及一般量子
力学有一新的理解。”

这本书出版后,佳评如潮。评论者认为,本书不只是十分清晰,而且写得
也非常生动。尤其是作者生动地描述历史上的科学家是如何一步步地得到
他们的理论的。在这一点上他是非常成功的。尽管物理学与数学的关系是
十分密切的,但在这本书中,作者很少用数学来描述他要讲述的主题。即
使是那些不懂数学的外行,也能理解物理学概念的发展过程。甚至有人开
玩笑地说,这本书每一个人都应该读,包括猴子在内!(Everyone
should read this book, including monkeys!)
11年之后(1995年),格利宾又将焦点关注于量子理论的一些新的疑问上,
这就是另一本书,即中译本的第二篇:《薛定谔的小猫及对实在的追求》。
他从贝尔的证明开始展开讨论。他认为,量子世界的所有奇异性都可以通
过考察薛定谔猫的悖论的两个变种——即他的书中所说的小猫的历险过程
来获得最清楚的理解。从光的本质问题开始,中间涉及到电子干涉的标准
观点、牛顿的世界观、托马斯·杨、菲涅耳、泊松的观点、法拉第的场、
麦克斯韦方程组、以太之死、狭义相对论的产生;哥本哈根解释的垮台;
冯·诺依曼的的错误等多个主题,由此来试图解释真实性的本质和解决所
有的量子之谜。

这本书出版后,同样也是佳评如潮。有人认为,他应该是仅排在霍金之后
的最伟大的科学普及作家。

格利宾的这两本书,既有思想深度,路数又非常清晰。是非常难得的高级
科普读物。完全读懂这两本书是不容易的,但却非常值得一读。她可以在
让你旋风般地领略20世纪物理学的发展过程中,加深对事物的本性的认识。
对于那些准备学习物理学或相关学科的人来说,这两本书更是一个非常好
的课前读物。即使是一个外行,读完这两本书后,一定会加深对科学的认
识。难怪有许多读者说,正是在读完格利宾的书后,才开始喜欢上物理,
开始科学生涯的。

退一万步讲,即使对物理学没有任何兴趣,你也可以获得许多意想不到的
东西。试举一例:我们都知道牛顿是一位伟大的科学家,但对他的不幸人
格却不甚了解。他脾气不好,疑心太重,经常卷入优先权与抄袭指控等学
术争论。他在与同样尖刻,个子矮小的胡克的争论中,不惜使用下流卑鄙
的手段。他的那句名言:“如果我看得更远,那是因为我站在巨人的肩
上”,实际上是讽刺了胡克的矮个子,同时又暗指其才智不佳。

这有点让人不可思议。如果你想发现更多不可思议的故事,不妨读一读格
利宾的两本书。

中译本将两本书合在一起,本来是件很好的事。非常可惜地是,存在许多
实在不应该出现的明显的错译、误译、前后不一致和不通之处,两本好书,
糟蹋成这样,真让人惋惜。如果读者熟悉原文,或只专注于其思想脉络和
叙事风格,也许还会有所收获。

外一篇:唯一的薛定谔

埃尔温·薛定谔1887年8月12日出生在当时奥匈帝国的首都维也纳。他之所
以被人们记住,除了在科学上的贡献外,更为重要的是他的独特的个性。

通常,伟大的人物都有着常人难以理解的性格。薛定谔也不例外。他是一
个完全与众不同的人,这一点尤其表现在对待生活的态度上。

薜定谔在中学时代就显露出了多方面的才能。他不只是热爱科学,而且对
德语诗歌情有独钟。1906年至1910年,他在维也纳大学学习。正是在这段
时间,他了解了连续介质物理学中的本征值问题,这为他后来的工作奠定
了基础。一战期间他是一名炮兵军官。1920年,他作为维恩教授的研究助
理。之后曾分别在斯图加特、布雷斯劳、苏黎世等大学任教。正是在苏黎
世任教期间他结交了数学家外尔、物理学家德拜等好朋友。这段期间也是
他成果倍出的时期。他讨论了固体的比热、原子光谱等理论物理学问题,
并且还花了不少时间于颜色的生理学研究。他的最伟大的发现——薜定谔
波动方程,是在1926年的前半年做出来的。为此,他后来与狄拉克共享了
1933年的诺贝尔物理学奖。1927年,薜定谔来到当时世界上的物理学中心
——柏林,作为普朗克的接班人。1933年希特勒上台时,他决计离开德国。
与大部分具有犹太血统的人被迫离开德国不一样,他是具有日耳曼血统又
主动离开德国的。尽管他是一个天主教徒,他还是看不惯把迫害犹太教徒
作为一项国策的德国的下作做法。

离开德国后,他在牛津做了一段时间的研究员。出于对祖国的思念,他
1936年回到奥地利,任格拉茨大学教授。当1938年德国与奥地利合并之后,
格拉茨大学被重命名为“阿道夫·希特勒大学”。薜定谔的麻烦又开始了。
在纳粹看来,他1933年离开德国是一个非常不友好的表现。他被迫写了一
份“效忠信”,但他还是由于“政治上不可靠”而被解除了职务。这封信
让他一辈子都后悔不已。一年之后,他在写给爱因斯坦的信中,为自己的
行为做了辩护。“我是想保持自由,而要想得到它,不耍点手段是不行
的”。

后来他设法从意大利、法国到普林斯顿。很快又到了爱尔兰的都柏林,一
直在那里呆到1955年,退休之后才返回奥地利。

1935年他写下了一篇文章《量子力学的现状》,在这篇文章中出现了著名
的薛定谔的猫的悖论。这是科学史上的一个著名的思想实验。薜定谔不喜
欢波粒二象性的二元解释以及波的统计解释,试图建立一个只用波来解释
的理论,因而与许多物理学家之间发生了争论。他的执着或固执,让我们
看到一个“和而不同”的真正君子。

无论是在他的科学生涯,还是在个人事务中,他都不是一个抱负很高、理
想远大、以取得某种特定目标为宗旨的人,但他决不随波逐流。恰恰相反,
他一直在思考一些最基本的问题。他可能从没有料到自己的思考是如此地
影响了后代。

无论如何评价他,他都是唯一的。作为物理学家,他的一篇文章《生命是
什么?》开启了一个新的研究领域,尽管现在很少有生物学家还认为他的
思想有持续的影响力。

正如他所说的:我们的任务不是去发现一些别人还没有发现的东西,而是
针对所有人都看见的东西做一些从未有过的思考。

他的一生都是沿着这条路走的。

他对自己的珍视使得他很难与别人,甚至他的学生一起工作。他总是坚持
自己特立独行的生活方式。人们常常看到,他背着行囊鼓鼓的帆布包,若
有所思地从旅馆走到车站,根本不考虑它人的存在与反映。这在当时对于
一个大学教授来说,几乎是唯一的。

薜定谔的私生活,按我们的现存的道德标准,实在是有点匪夷所思。他有
一位终身爱他的夫人,但俩人没有小孩。他们之间的爱,也是超出常规的。
他的夫人与他在苏黎世的好朋友,数学大师外尔关系非同一般,这一事实
他也非常清楚。另一方面,按照他夫人的说法,薜定谔本人是一个真正的
好色之徒,有过不少女朋友。他的助手Arthur March的夫人Hilde实际上
与薛定谔夫妇住在一起。Hilde后来为薛定谔生了一个女儿。他们三人本
打算在普林斯顿长期呆下去,一起哺养女儿,但发现小小的普林斯顿根本
不可能容纳这三位超常的人,只好另觅别处。

他在爱尔兰期间,又有过两位红颜知已。他与她们各生一个女儿。他最爱
去的地方是酒吧,认为在酒吧里会调动他的全部灵感。

长期以来,人们很难把上述两种截然不同的形象统一起来。直到今天,人
们提到薛定谔时,还是争论不休。他有两个“本征态”。在不受任何现有
知识和建制的拘束,自由的追求真理时,他的两个本征态是叠加在一起的。

他1955年回到奥地利后,成了失落和屈辱交织在一起的刚成立的奥地利共
和国的科学象征,他不苟言笑的头像被印在1000先令的纸币上。

在饱受疾病的折磨之后,1961年1月4日,他在他最喜欢的Alpenbach离开
了人世。
 

 
http://207.152.99.250/xys/ebooks/others/science/Schrodinger_mao2.txt