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从特斯拉到爱因斯坦,物理学家为何钟情于猫

2020-12-07 08:37:11 osc_dg21zk4i

牛顿和猫洞的故事,图片来自3milliondogs.com

来源:数学中国

尽管我们看到了大量的猫被用作实验对象。面对科学发展过程中这黑暗一面,我有必要强调一下,纵观历史,许多物理学家与他们的猫的关系要友好得多,猫成为他们的实验室助手、灵感缪斯、伙伴,甚至是科学论文的共同作者。

首先,我们来看看这么一个故事的真假:艾萨克· 牛顿不仅在运动和引力方面做出了改变世界的发现,而且还发明了猫洞。

牛顿本人的性格可能有点儿像猫,他聪明又淘气,孤独地追寻着自己的目标,有时又很凶猛。牛顿在19岁时写下了一系列自承自己犯下的罪过,其中包括“威胁我的父母史密斯把他们连同房子一起烧掉”。牛顿和他的继父巴纳巴斯· 史密斯( Barnabas Smith)牧师关系不好,显然对他母亲再婚很生气。

19世纪牛顿发明猫洞的故事经常被提起,其中一个精彩的版本如下。

你知道柯勒律治、骚塞和华兹华斯的逸事,他们三个齐心协力也解不开套在马头上的马项圈,而一个苏格兰姑娘轻轻松松就能做到。帕森牧师讲了一个更有趣的逸事,是关于牛顿爵士的,顺便说一下,这个故事我们在其他地方从未见过。这位伟大的自然哲学家有一只大猫和一只小猫,他把它们养在书房里。但是他懒得一次次地为它们开门让它们进出,于是他想出了下面这个办法。“他在门上开了一个大洞让大猫进出,在大洞旁边又开了一个小洞给小猫进出。他连最笨的乡巴佬都会记得的事也忘了,小猫也可以从大猫的大洞进出。挖好洞后,他骄傲地等着猫第一次钻过洞去。当它们从壁炉前的地毯上站起来时,智慧的牛顿停止了崇高的计算,放下了笔,什么都不干,就聚精会神地注视着它们。它们走近猫洞,发现那是专门为它们准备的。大猫从为它准备的那个大洞里走了过去,小猫立刻跟着大猫从同一个洞里走了出去。”由于牧师们总是被同样缺乏常识的问题所困扰,所以发现诗人和哲学家同自己一样也许是一种安慰。然而,不顾实际不仅仅会带来不便,而且会造成权力和影响力的损失。

这个牛顿猫洞的故事被用来教导人们(尤其是那些傲慢的哲学家)要谦逊。“没错,你可以预测行星的运动,但是如果没有一些过时的常识,这些知识是没有用的!”

但是猫洞的故事是真的吗?猫洞当然不是牛顿发明的,猫洞在牛顿之前就以某种形式存在了几百年,甚至几千年。例如杰弗里· 乔叟的《坎特伯雷故事》(1386)中就有一段涉及这类被称为“猫洞”的门。在《磨坊主的故事》中,一个仆人敲一户人家的门,却没有得到回应,于是他利用一个猫洞往里面窥视。

他发现有个窟窿就在门板下,
那是猫平时钻进钻出的洞口;
于是他贴着洞口尽量朝里瞅,
终于看到尼古拉坐在椅子上,
只见它张着嘴巴朝着天上望[1]。



此外,牛顿挖猫洞的故事是真的吗?没有证据表明牛顿养过宠物,例如猫、狗或者其他动物。他的信件和同事的信件中都没有提到。虽然牛顿的家伍尔索普庄园仍然存在,但是没有证据表明这幢房子里有猫洞。不过,这也不能证明牛顿没挖过猫洞,毕竟已经过去了几百年,房子的门可能已经换了。

牛顿的猫洞故事的起源似乎来自数学家约翰· M. F. 赖特( John M.F. Wright),他曾在三一学院工作,并于1827年出版了一本关于他在三一学院经历的回忆录。他听说了很多前三一学院学者牛顿的故事,并分享了其中一部分。关于牛顿和动物,他做了以下描述。

关于牛顿的“心不在焉”,有很多趣闻逸事,这一方面是因为牛顿自身对世界及日常生活方式的确有些心不在焉,另一方面也因为,这对于那些可能没有听过的读者来说,无疑是很有趣的。


……



在自然界的一切活动中,只有它的纯朴才能打动理智的观察者。神的儿子是单纯、谦逊、谦卑的,如同羔羊一般。牛顿被认为是“上帝按照自己的形象创造”出来的生物中地位最高的,也是最单纯的人类。据说这位伟大的实践、理论哲学家,有一次在一堆论文附近留下了一支还在燃烧的蜡烛,这些论文是他辛苦多年的研究成果,无疑和他的其他作品一样充满了智慧的发现。可他的狗狄多弄倒了蜡烛,论文付之一炬。牛顿回家时只能悲叹:“狄多,狄多,你不知道你闯了多大的祸。”


还有一次,一个朋友开玩笑,吃了牛顿原本打算作为晚餐的鸡肉,牛顿看到骨头大叫:“我太健忘了!我还以为我没吃晚饭呢。”他又回到沉思中,以为一切正常。因为很喜欢家养动物(尽管牛顿似乎对美丽的女人完全没有冲动,因为据说他总是拒绝激情的邀请,或者,无论如何,也许是因为他高度重视夏娃的女儿,认为如果不能把全部的时间和精力都花在她们身上,那还不如一开始就不要跟她们来往),他养了一只猫给狄多做伴。这只猫后来生了一只小猫,尽管牛顿最初可能没有预料到这一点。善良的牛顿一眼就看出了家庭成员增加的后果,他命令学院的木匠在门上开两个洞,一个是给大猫开的,另一个是给小猫开的。无论这个故事是否真实,但在那扇门上至今还留有两个大小适当的洞,供大猫和小猫进出使用。

这些故事似乎是由三一学院的学生和学者代代传下来的,毫无疑问,这些故事都经过了修饰,甚至完全是编造出来的。回想一下麦克斯韦把猫扔出窗外的故事吧,它在麦克斯韦离开后仅仅20年就发生了戏剧性的变化。即使这些洞是猫洞,也不能保证是牛顿叫人挖的。更有可能的情况是,一个学生看到门上的洞就胡乱联想了一番。

当然,像牛顿这样的科学家,在实验室里独自工作几个小时,需要一只猫做伴也很容易想象。事实上,关于运动的物理学的另一位关键人物在研究中就有猫的陪伴。威廉· 罗恩· 哈密顿( William Rowan Hamilton,1805—1865)是爱尔兰天文学家、物理学家和数学家,他最著名的工作是用复杂的数学公式重新表述了牛顿运动定律。哈密顿运动定律被证明非常适用于量子粒子的分析,哈密顿函数在经典力学和量子力学中都有应用。

哈密顿以他对人类和动物(尤其是猫)的仁慈而闻名,他的妹妹也证明了这一点。

他一直很喜欢猫,经常有人看到他在写数学论文,一只小猫或他最喜欢的大猫趴在他的肩膀上,调皮地想抓住笔。

他的礼貌几乎是对别人的一种责备。一位曾经和我一起住在都柏林的年轻女士说:“我从来没有看到过像你哥哥这样有礼貌的绅士,我想他甚至会向一只猫鞠躬。”有一天,我想起了这件事,正和哥哥开玩笑将她的话学给他听,这时他不小心踩到了猫爪子,转过身来,微笑着说:“我正想说,请原谅。”

但正如他妹妹所说,哈密顿会如此耐心的对象不只是他的动物伙伴。

他对周围一切生物都体贴关怀,从而从它们那里获得了无限的信任。有一个例子给在场的见证者留下了深刻的印象,那的确是一件令人激动的事,也足以使人原谅奇迹中的迷信色彩。圣灵降临节的早晨,当他在屋子正中央念祈祷文的时候,一只鸽子从开着的窗子里飞进来,落在他的头上,哈密顿没有打扰它,继续诵读,过了一会儿,鸽子平静地飞了出去。

除了把猫作为伙伴之外,其他科学家如罗伯特· 威廉姆斯· 伍德( Robert Williams Wood,1868—1955),也发现了一些巧妙的方法让猫在实验中发挥作用。伍德是研究紫外线的先驱,并在一个名叫光谱学的领域做了大量工作,光谱学的研究内容是通过测量光谱(颜色)来研究物质的结构。他是一名专注的研究人员,甚至和家人一起度假时仍在工作,这在他的传记性回忆录中也有所提及。

伍德和他的家人在长岛的旧农场过暑假。他在谷仓里临时搭了一个实验室,它的一大特色是一台40英尺的光栅摄谱仪,这可能是当时最大的摄谱仪,而且肯定能得到前所未有的精确结果。它是在当地石匠铺设的下水道的基础上建造的。两个暑假之间漫长的时光中没有人使用仪器,各种各样的野生动物都把它当作庇护所,光路也被蜘蛛网弄得乱七八糟。伍德清洗腔管的方法极为经典:他把家里的猫放在一端,然后把这一端关上,这样猫为了逃跑,就必须跑完整个管子,有效地清除了所有蜘蛛网。

这只猫可能并不愿意充当一位实验室助手,但它似乎也没有受到任何伤害。

伍德的想象力并不局限于为猫寻找新奇的用途。他还与亚瑟· 特雷恩( Arthur Train)合著了两部科幻小说《震撼地球的人》( The Man Who Rocked the Earth, 1915)和《造月人》( The Moon-Maker, 1916)。

前一本讲述的故事是,一个神秘的科学家用能改变地球自转的核爆炸胁迫世界上交战的国家进入持久的和平。伍德和特雷恩在书中颇有先见之明地预言了核武器的最终诞生(尽管细节显然是错误的)。在续集《造月人》中,科学家们进入了太空,迫使一颗即将毁灭地球的小行星偏离了轨道或将其摧毁,这比1998年电影《世界末日》( Armageddon)的情节早了82年。

尽管伍德的科学发现意义重大,但他最出名的成就可能还是以一种简单而又具有毁灭性的方式驳斥了20世纪初“N射线”的存在。当X射线和“铀射线”(放射性)被发现时,似乎到处都是新的看不见的辐射形式。在法国南锡工作的普罗斯珀· 雷恩· 布隆德洛( Prosper-Ren Blondlot)认为自己发现了一种新的射线,与X射线不同,它能与电场相互作用。他以自己居住的城市命名了这种新射线。大量科学家发表了数百篇研究文章,证实了布隆德洛的研究结果。

然而,更多的研究人员没有发现N射线存在的证据。最终,在1904年,伍德来到南锡和布隆德洛一起工作,希望解开谜团。伍德注意到, N射线存在的唯一证据是电火花剧烈闪烁时产生的变化,于是他趁无人注意时从实验装置上取下了一件关键的设备。研究人员很高兴地继续研究,并没有发现结果出现任何变化。伍德通过这种方式证明, N射线只存在法国科学家过于乐观的想象中。

伍德的科幻小说、猫的新用法和揭穿N射线展现了他孩子般的聪明和对世界的好奇心。1941年,他的传记作者威廉· 西布鲁克称他为“一个永远长不大的小男孩”,这是对他最高的评价。

一些物理学家在与猫的互动中找到了灵感,甚至找到了毕生的志向。其中最著名的例子是发明家、物理学家、未来学家尼古拉· 特斯拉( Nikola Tesla, 1856—1943)。特斯拉因其在发电方面的工作而被称为“闪电大师”,我们至今仍在使用的交流电系统就是他发展并主持推广的。这项工作由西屋电工制造公司(后改名为西屋电气公司)赞助,导致特斯拉、西屋电气与倡导美国采用直流电系统的托马斯· 爱迪生进行了一场商业战。特斯拉同样观测到了X射线,那是在1894年,比威廉· 伦琴还要早一年,但他的研究记录在1895年3月的一场火灾中丢失了。特斯拉试验了无线电和电力的无线传输,发明了特斯拉线圈,这是一种能发出大量电火花的装置,可以使荧光灯泡在不接通电源的情况下发光。

图1 尼古拉·特斯拉在他科罗拉多斯普林斯的实验室里,当闪电在周围轰击时,他在平静地工作(约 1899 年)。这张著名的照片是经过两次曝光形成的,由狄金森·V. 阿利(Dickensen V. Alley)拍摄。
图片来源:维基共享资源/惠康图像。

大家都说,特斯拉在很小的时候就显示出了才华。但是,据他自己说,激发他研究电学现象的是一只猫。

1939年,特斯拉给南斯拉夫驻美国大使的小女儿波拉· 福蒂奇( Pola Fotich)写了一封信。信中,他讲述了自己在南斯拉夫的童年,并提及了他的猫。

但我是最快乐的,我快乐的源泉是我们美丽的马查克,它是世界上最好的猫。我希望我能让你充分了解我们之间的感情。我们为彼此而活。无论我去哪儿,马查克都跟着,因为我们彼此相爱,它也想保护我。当它觉得需要保护我的时候,它就会耸起背,身体看起来有原来两倍大,尾巴硬得像根铁条,胡须像铁丝一样,它会急速地喘息:噗!噗!这是一幅可怕的景象,不管是谁,是人还是动物,只要招惹了它只能仓皇而逃。


每天晚上,我们都会沿着教堂的墙从家里跑出来,它会追上我,抓住我的裤子。它努力让我相信它会咬人,但当它尖利的牙齿刺穿衣服的那一刻,紧张的气氛就消失了,它们与我皮肤的接触就像落在花瓣上的蝴蝶一样温柔。它最喜欢和我一起在草地上打滚,一起打滚的时候,它又咬又抓,高兴得发出咕噜咕噜的声音。它完全把我迷住了,我也学着它又咬又抓,发出咕噜咕噜的声音。我们停不下来,在狂喜中不停地翻滚。除了雨天,我们每天都沉浸在这项迷人的运动中。


马查克对水特别挑剔,它会跳起6英尺高以避免弄湿爪子。在雨天,我们会走进房子,选择一个舒适的地方玩。马查克特别爱干净,身上从来没有跳蚤或虫子,而且没有表现出任何令人反感的特征。晚上它想出去玩时会温柔地请求你的同意,回来时会轻轻地一遍又一遍地挠门。

到此为止,故事很简单,一个孩子很爱他的宠物。但接下来,这个故事却有了一个科学的转折。

现在我必须告诉你一个我终生难忘的奇怪经历。我的家乡海拔大约1800英尺,通常冬天天气干燥。但有时,从亚得里亚海吹来的暖风会持续很长时间,融化积雪,形成洪水淹没土地,造成巨大的财产和生命损失。我们会看到这样可怕的景象:一条汹涌澎湃的河流携带着残骸,把一切能移动的东西都撕成碎片。我常常想象年轻时经历的这一情景,当我想到这一情景时,水声仿佛灌进我的耳朵,我依然清晰地看到汹涌的水流和残骸疯狂的舞蹈。但我对冬天的记忆是干冷的空气、无瑕的白雪,总是令人愉快。


碰巧有一天,天气同样寒冷,但好像比以往都更干燥。走在雪地上的人们在他们身后留下了一条发光的路,扔出去的雪球碰到障碍物,撞击面会发光,就像被刀子切过的一块糖。黄昏时分,我抚摸着马查克的背时,看到了一个奇迹,我惊讶得说不出话来。马查克的背上笼罩着一层光,我的手经过的地方发出一阵火花,“噼啪”声大得整座房子都能听到。

年轻的特斯拉第一次注意到了静电现象。包括我在内的许多孩子,都是通过静电第一次接触到物理世界的奇特之处的。

我也有类似的经历,不过要痛苦得多。当我大概6岁的时候,奶奶送给我一双羊毛拖鞋作为圣诞礼物。穿着羊毛拖鞋走在地毯上就像摩擦猫的皮毛一样,会产生静电。有一天,我姐姐取笑了我,于是我开始在家里到处追她。我们家厨房、餐厅和客厅形成了一个连续的环路,我围着她转了一圈又一圈。我们的圣诞树就在客厅里,在这个环路内侧。绕着圣诞树转了大约四圈后,我身上产生的静电积累到足够多,让我被圣诞树上伸出的金属丝电了一下,然后摔倒在地。姐姐开始嘲笑我,于是我又站起来追她,每追四圈就触电一次,一遍又一遍。

让我们再说回特斯拉。

我父亲是个很有学问的人,问他所有问题他都能回答出来,但这种现象他也从未见过。“好吧,”他最后说,“这只不过是电,就像暴风雨中树林里的闪电一样。”


母亲似乎吓住了。“别跟这只猫玩了,”她说,“可能会引起火灾。”但我想得很抽象。大自然是一只巨大的猫吗?如果是,谁来抚摸它的背?只能是上帝,我总结道。我当时才三岁,就已经在进行哲学思考了。



第一次观察已经够令人吃惊了,但随后发生的事情更加奇妙。天越来越黑了,所以家人很快就点燃了蜡烛。马查克在房间里走了几步。它摇着爪子,好像踩在湿地上。我聚精会神地看着它。我是看到了什么还是出现了幻觉?我睁大眼睛,清楚地看到它的身体被一个光环包围着,就像圣人的光环!


这个奇妙的夜晚对我孩童时期的想象力产生了无与伦比的影响。我每天都在问自己:“电是什么?”却找不到答案。80年过去了,我仍然问着同样的问题,却无法回答。不计其数的伪科学家声称自己知道答案,但他们的答案并不可信。如果他们当中的任何一个人知道电是什么,我肯定早就知道了,我知道答案的机会比他们中的任何一个人都大,因为我的实验室工作和实践经验更广泛,我的一生经历了三代科学研究。

指引着特斯拉投身研究的问题与阿尔伯特· 爱因斯坦在1951年提出的问题惊人地相似。当时,爱因斯坦回顾了50多年人们对“光量子”的思考,意识到自己仍然不知道它们是什么,他写给一个朋友的信中说,那些自以为了解这个概念的人都是在欺骗自己而已。爱因斯坦所说的光量子就是我们现在所说的光子,光的离散粒子。我们已经知道,爱因斯坦在1905年解释光电效应时引入了光子的概念,这使他在1921年获得了诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦和特斯拉的陈述突出了物理哲学的一个重要观点:物理学非常擅长通过公式和观察来解释事物是如何运作的,但它不一定能说明事物为什么会这样运作。特斯拉和爱因斯坦意识到,他们的研究引出了一些深奥的问题,而这些问题他们自己甚至还远没有理解。

爱因斯坦本人就很喜欢动物,有段时间他养了一只名叫“老虎”的猫,它一到下雨天就很沮丧。据说,爱因斯坦会对猫说:“我知道你为什么不开心,亲爱的老伙计,但我不知道怎么把它关掉。” 1924年,爱因斯坦给朋友们写了一封信,可能也提到了同一只猫:“我有一种冲动,想从我的隐居地直接向你们问候,仅此一次。这里太好了,我几乎都要羡慕自己了。我一个人住一整层楼。除了我,这里没有其他人,除了有时会有一只大个儿的公猫,它也主要决定了我房间里的气味,因为我无法在这方面成功地与它竞争。”

爱因斯坦对另一种猫有着更强烈的迷恋,这种猫从未存在过,却是整个物理学中最著名的猫:薛定谔的猫。奥地利物理学家埃尔温· 薛定谔引入了这只奇怪的野兽,以突出理论量子物理学(薛定谔本人也是这门学科的奠基人之一)看似荒谬的含义。

如果我们用一句话来概括整个量子物理学,我们会说,它宣告了所有存在的事物都同时具有波的性质和粒子的性质,正如我们前面提到的,这被称为波粒二象性。1905年,爱因斯坦成功地指出,自19世纪初以来被认为是波的光,也有粒子属性。1924年,法国物理学家路易· 德布罗意受爱因斯坦的观察启发,提出物质的情况正好相反:所有原子和所有基本粒子,如电子,都具有波的性质。德布罗意的这一假说在几年后被实验证实,真正开启了量子物理学的时代。1926年,薛定谔创造了一个数学公式——薛定谔方程,来描述物质波如何在时空中演化。爱因斯坦对他的工作表示赞同,因此他的论文得以发表。

然而,这里有一个很大的问题。每个人都同意物质是波动的,但是没有人能准确地解释,到底是什么在波动。水波是水本身上下移动;声波是空气分子振动,把声音从声源传到接收器。正如詹姆斯· 克拉克· 麦克斯韦所认识到的那样,光是电场和磁场在“波动”。但没有人确切知道该如何看待物质波。电之于特斯拉正如光子之于爱因斯坦:描述一种现象是一回事,解释它又是另一回事。

这个问题引起了丹麦物理学家尼尔斯· 玻尔和德国物理学家维尔纳· 海森堡的关注。海森堡曾在哥本哈根的一个研究所为玻尔工作。他们一起将所有现有的量子物理学知识汇编成一个内在一致的系统,我们如今称之为量子力学的哥本哈根诠释。简单地说:电子和其他粒子的物质波不是物理上存在的波,而是与粒子在特定时间出现在特定位置的概率有关。波的高矮代表粒子出现的概率,波越高概率越大,波越矮概率越小。

然而,当我们测量一个量子粒子的位置时,我们永远不会看到一个弥散的波:我们只会看到一个粒子位于空间中局部的一点。哥本哈根诠释的一大关键是波函数坍缩的概念:当任何人试图测量一个粒子的位置时,粒子的波就会坍缩到一个单一的位置,这代表了粒子的位置。这意味着任何对量子粒子的测量都会极大地改变它的行为。此外,哥本哈根诠释表明量子粒子在被测量之前,并不存在于哪个确定的位置。只有当它被测量时,它才会以某种神秘的方式“决定”它想要出现的确切位置。

如果你对这个解释不满意,那你就站在了薛定谔这边,他认为,哥本哈根诠释可能导致荒谬的结果。他指出,有可能使一个生物(如猫)的生死完全依赖于单个量子粒子(如原子)的行为。他在1935年写道:“甚至可以设置一种相当荒谬的场景”,并给出了一个例子。

一只猫连同以下邪恶的设备(必须保证其不受猫的直接干扰)被关在一个铁盒子里:在盖革计数器里有少量的放射性物质,少到在一小时内也许只有一个原子衰变,但也有同样的概率不衰变。如果衰变的话,计数管就会放电,并通过一个继电器锤碎装有氢氰酸的小瓶。假设一个人把整个系统放在那里等一小时,如果没有原子衰变,他就会说猫还活着。而如果有原子衰变,猫就会中毒死亡。整个系统的波函数就可以用将活的猫和死的猫(请原谅我使用这个表述)的叠加混合状态来表示。

图2描述的是略有修改的版本。

图2 薛定谔的猫(猫薄荷版)。为了避免想象猫死去的图景,我把放射性原子控制的毒药换成了猫薄荷。这样一来,既活又死的猫就变成了既被猫薄荷刺激兴奋了又没被刺激兴奋的猫。
图片来源:萨拉· 阿迪。

薛定谔说,哥本哈根诠释的量子世界与我们每天所经历的世界有本质上的不同。如果我们抛硬币后用手遮住结果不偷看,我们也知道硬币不是正面就是反面。但是根据哥本哈根诠释,在我们真正观察到它之前,硬币将会是正面和反面的波一样的叠加状态。但这也带来了一个额外的问题:是什么导致了波函数坍缩?换句话说,是谁在进行观测?在实验室很容易想象,波函数坍缩是人类科学家在仪器上读出实验结果引起的,但这种哲学性的结论带来的结果是,人类在宇宙中扮演了特殊的角色,而这一想法几个世纪前就已经被科学无情地抛弃了。

爱因斯坦赞同薛定谔的批评,他在1950年的一封信中写道:

除了劳厄,你是当代唯一一个认为所有诚实的人都无法回避实在( reality)假设的物理学家。大多数物理学家根本不知道他们在和实在玩着怎样的冒险游戏,实在是独立于实验建立起来的东西……然而,这个诠释被你们的放射性原子+盖革计数器+放大器系统+装火药+盒子里的猫优雅地驳倒了,系统的波函数包含了既活又死的猫……没有人真正相信猫的死活与观察行为有关。

爱因斯坦宁愿用枪来杀死这只猫,也不愿用毒气 [2]。我们只能推测薛定谔为什么要选择毒害猫。他自己没有养猫,不过他的确有一只心爱的宠物。在第二次世界大战期间,他有一只名叫伯希(又名拉迪)的柯利牧羊犬,它是薛定谔的伙伴,也是他在诸多磨难中获得安慰的源泉。

尽管在哲学上有局限性,量子物理学的哥本哈根诠释仍然在今天的课堂上被教授,并且仍然被用作描述量子世界的一个实在模型。这有两个简单的原因。第一,哥本哈根诠释能很好地解释迄今为止所有的量子力学实验结果,反对它的原因主要是在哲学方面。虽然哲学很重要,但它并没有延缓量子世界的实验研究。第二,即使在80年后,也没有人完全确定用什么来代替它。有一种理论如今很流行,它涉及无限多个平行宇宙,最初被称为量子力学的多世界诠释。根据这种解释,薛定谔的猫将在一个宇宙中存活,在另一个宇宙中死去,量子力学的波动性体现了不同宇宙间的某种相互作用。目前还不知道是否存在这样的平行宇宙,但对许多物理学家来说,多世界诠释已经成为处理量子物理学奇异性质的首选方法。

猫可能暗示了我们在解释宇宙时遇到的问题,但它们也帮助一位天文学家拓宽了我们对宇宙的理解,至少提供了精神上的支持。在20世纪以前,人们普遍认为我们太阳系所在的银河系就是整个宇宙。当时的望远镜观测到的星云被认为是潜伏在星系内或星系外的气体云。1919年,美国天文学家埃德温· 哈勃(1889—1953)参加完“一战”回来,在剑桥大学学习了一年后,获得了加利福尼亚州帕萨迪纳市附近威尔逊山天文台的职位。哈勃使用当时世界上最大的望远镜——刚刚建成的胡克望远镜,对星云进行了大量的观测,令人信服地证明了它们离我们的星系很遥远,不属于我们星系的一部分。事实上,这些模糊的天体就是星系本身,它们离我们的星系非常遥远。

1924年11月23日的《纽约时报》公布了哈勃的发现。这篇文章的发表标志着整个世界第一次认识到,宇宙比之前想象的要大得多。下面我摘录了文章的部分内容,请大家体会一下这种宏大。

旋涡星系在天空中以旋转的云的形式出现,它实际上是遥远的恒星系统,或称“宇宙岛”,这一观点已被卡内基研究所威尔逊天文台的哈勃博士通过天文台强大的望远镜进行研究所证实。


根据天文台官方报告,旋涡星系数量巨大,数量级达到10万,其可见的大小范围从星星那么小到仙女座星云那么大。仙女座星云在天空占据了3度,大约是满月直径的6倍左右。

文中没有使用“星系”这个词,而是“宇宙岛”,因为此前我们的星系被认为是整个宇宙。今天,天文学家估计在可观测宇宙中大约有两万亿个星系。

这一重大突破并不是哈勃对天文学的唯一重大贡献。1929年,哈勃通过仔细观察,指出遥远星系远离我们的速度与它们离我们的距离成正比,这个定律被称为哈勃定律,现在是测量宇宙距离的关键性工具。

哈勃余生都在威尔逊山天文台工作。天文观测可能是一种孤独的职业,需要在深夜长时间观测星星。哈勃和他的妻子格蕾丝在1946年发现了一个同伴,一只毛茸茸的黑色小猫。哈勃立刻给它起了个名字,叫尼古拉斯· 哥白尼,哥白尼是波兰天文学家,于1543年首次正确指出太阳而非地球才是太阳系的中心。

哥白尼成了深受哈勃一家喜爱的成员。哈勃为它做了一个猫洞:“所有的猫都应该有一个猫洞,这对它们的自尊来说是必需的。” 哈勃一家人把哥白尼最喜欢的玩具——烟斗通条放得满屋都是。

正如格蕾丝在日记中所写的那样,哥白尼经常“帮助”哈勃完成工作。“当埃德温在他的大书桌前工作时,哥白尼总是一本正经地伸展四肢以便尽可能遮盖更多的书稿。‘它在帮我’,埃德温解释道。当哥白尼坐在埃德温的腿上时,它发出的呼噜声都与平常不同,一种缓慢的、狮子般的呼噜声……‘那是你的猫在叫吗?’我问他,他就从书本中抬起头来,微笑着点点头。” 哈勃在1949年心脏病发作,1953年死于脑血栓。哈勃临去世时,哥白尼就待在他旁边。后来,哥白尼在窗边趴了几个月,等着自己的主人回来。

哥白尼可能是哈勃的研究伙伴和好朋友,但它并没有像切斯特那样参与到科学工作中来。切斯特是密歇根州立大学天文学家杰克· H.赫瑟林顿( Jack H. Hetherington)的一只暹罗猫。

图3 哈勃和哥白尼(1953 年 3 月)
图片来源:亨廷顿图书馆(位于加州圣马力诺)的卡内基研究所威尔逊山天文台科学收藏特展。

1975年,赫瑟林顿完成了一篇论文,打算以唯一作者的身份提交给著名的《物理评论快报》( PRL)杂志。在提交之前,他把草稿交给了一位同事,最后一次检查论文中是否有错误。不幸的是,这位同事指出,赫瑟林顿在论文中称自己为“我们”,而《物理评论快报》通常希望单作者论文中使用“我”。在1975年,要做这样的修改,就得在打字机上把整篇手稿重打一遍,这是一项麻烦的任务。因此,赫瑟林顿把他的猫作为合著者加入了作者栏。

赫瑟林顿的朋友和同事们应该已经知道他的猫叫切斯特,为防止同事们一眼认出来,赫瑟林顿把合著者的姓名扩展成F. D. C. 威拉德( F. D. C. Willard),其中是F. D. 是猫的学名( Felix domesticus)的首字母缩写, C当然是切斯特,而威拉德是切斯特父亲的名字。

这篇论文被接收并发表在1975年11月24日的期刊上。赫瑟林顿并没有对合著者的身份保密太久。论文发表一天后,他给系主任发了一条消息,告诉了他自己的这个策略,系主任杜鲁门· 伍德拉夫( Truman Woodruff)回了一张便条,表示愿意让威拉德成为杰出访问教授。

亲爱的杰克:


答复您11月25日的来信:请允许我立即承认,如果没有您的来信,我决不会冒昧地想到去拜访像F. D. C. 威拉德这样杰出的物理学家,希望他有兴趣加入我们这样的院系,毕竟,我们院系在1969年鲁斯–安德森的研究中甚至没有进入前30名。所以威拉德当然可以与一个更出色的院系联系。


然而,您认为他有可能屈尊接受我们提供的机会,这让我们备受鼓舞。我恳求您,他的朋友和合作者,请在尽可能合适的时候(比如有白兰地酒和雪茄的晚上)向他提出这个问题(当然,不用我说,您肯定会以最巧妙的语言艺术提到此事)。您能想象如果真的能说服威拉德加入我们,即使只是作为杰出访问教授,大家该有多高兴吗?

消息很快在物理界传开了。赫瑟林顿自己在1997年的一封信中写道:“不久后,一位密歇根州立大学的访客希望与我讨论,因为我没空,所以对方说想和威拉德谈谈。每个人都笑了起来,很快,威拉德是一只猫的秘密就不胫而走[3]。” 赫瑟林顿最终将几份有两位作者签名的论文分发给亲密的朋友和同事(图4)。显然,这个签名和威拉德实际上是一只猫的事实,使威拉德失去了被邀请参加科学会议的机会。赫瑟林顿自己补充道:“我也没有收到参加那个会议的邀请,不过这都无关紧要了。” 

有些人显然比其他人更喜欢这个玩笑。赫瑟林顿的妻子玛吉认为,她可以说自己与论文的两位作者都上过床,而且常常是同时上床,这一事实让她非常引以为豪。

威拉德后来成为自己论文《固态氦–3:反铁磁性核燃料》的唯一作者,文章发表在法国科学普及杂志《研究》( La Recherche)1980年9月号上。显然,这篇论文的人类合著者无法就他们手稿的一些细节达成一致,所以他们把所有的责任都推给了他们的猫科同事。

图4 两位作者签名的论文,上面写着“这是对作者最好的赞美”。
图片来源:赫瑟林顿。

35年后,赫瑟林顿从密歇根州立大学退休,但仍然很活跃。他现在每年都是一段时间在密歇根,一段时间在法国生活,他不仅在一家工程公司工作,还在探索用艺术性的方式表现数学函数的可能性。 

出版《物理评论快报》的美国物理学会对整个事件都抱有一种幽默的态度。2014年4月1日,该组织在其网站上宣布了一项针对未来猫类研究人员的新“开放获取计划”。

美国物理学会自豪地宣布了一项新的开放获取计划,旨在将开放获取的好处进一步扩展到更广泛的作者群体。新政策今日起开始生效,所有由猫撰写的论文都可以免费获得。这一开放思想的更新是学会在开放访问和宠物出版领域领导地位的自然延伸。早在1975年,学会就开始出版猫的学术论文,其中最突出的是威拉德,论文参见J. H. Hetherington and F. D. C. Willard, Two-, Three-, and Four-Atom Exchange Effects in bcc 3He, Phys. Rev. Lett. 35, 1442( 1975)。不过,未来这项计划只考虑单个作者的论文。学会希望在不久的将来评估允许犬类作者发表论文的可能性。自薛定谔以来,物理学从未给予过猫这么好的机会。

图5 真实的威拉德,图片来源:赫瑟林顿。

威拉德能够在世界上最负盛名的物理学期刊上发表论文,却从未获得过学位。但是其他猫在这方面已经取得了成功,为学术界提供了重要的服务。

大约在2001年,佐伊·卡泽( Zoe D. Katze)[4]被授予了进行催眠治疗的许可,成为卡泽医生。佐伊是心理学家史蒂文· 艾歇尔( Steven Eichel)的猫,艾歇尔通过美国心理治疗协会为卡泽远程取得了心理医生资格。这个实验的目的是用最戏剧化和最荒谬的方式来展示一个人是多么容易获得与病人打交道的执照。另一只被认可的猫是亨丽埃塔( Henrietta),它是科学记者本· 戈尔达克( Ben Goldacre)的猫。2004年,在去世一年后,亨丽埃塔获得了美国营养顾问协会颁发的营养学文凭,这真是一个特别令人印象深刻的成就。诸如此类的调查,还有许多其他的调查,都被用来曝光那些见不得人的“文凭工厂”,只要给一定数量的钱,这些“文凭工厂”可以向任何人授予文凭。

猫能获得物理学学位吗?如果最近的研究能说明什么问题的话,那就是他们对这一学科的了解比我们认为的要多。2016年,京都大学的研究人员对猫理解因果关系的能力进行了研究。为了做到这一点,他们做了一个罐子,里面有一块电磁铁和三个可以在里面滚来滚去的金属球。电磁铁被激活后,小球就会被固定在合适的位置,当罐子被摇晃时,小球就不会移动,当罐子被翻转时,小球也不会从罐子里掉出来。电磁铁关闭后,小球就能被摇动,发出“咣当咣当”的声音,翻转罐子时也会掉出来。

这个实验的目的是测试猫是否会将这种球滚动的声音与球从罐子里掉出来的预期联系起来。电磁铁可以触发四种情况。关闭电磁铁的情况下,研究人员可以测试一致性条件,即一个装满东西的罐子会发出声音,球也会掉出来,或者空罐子不会发出咣当声,球也不会掉出来。当磁铁一半时间处于激活状态时,他们可以测试不一致条件,即一个装着球的罐子会发出声音,但球不会掉出来,或者一个装着球的罐子不会发出声音,但球会掉出来。

研究人员对30只家猫( 8只是家养的猫, 22只来自猫咖啡馆)进行了录像,以评估它们对一致条件和不一致条件的反应。如果猫愿意,它们可以在每个事件之后调查罐子。研究发现,当罐子掉出球的情况与预期不一致的时候,猫看容器的时间更长。也就是说,如果罐子发出声音,但没有球掉出来,或者罐子没有发出声音,但球掉出来了的时候,猫会更好奇到底发生了什么。据研究人员称,他们的研究结果表明,“猫利用对听觉刺激的因果逻辑性的理解来预测看不见物体的外观”。仔细想想,这并不奇怪,因为外出狩猎的猫如果能将一组声音与隐藏的猎物联系起来,就能抓到更多的猎物。

图6 我家超级可爱的猫咪之一索菲,正在思考弦理论

一些新闻媒体对结果的报道更加耸人听闻。一篇描述史密森尼学会相关研究的文章就是以《猫是可爱的物理学家》为题的。从我自己的经验来看,如图6所示,一些猫已经开始喜欢这门学科了。

注释:

[1]. 这里直接引自《坎特伯雷故事》,黄杲炘译,上海文艺出版社, 2019。和原书引用的英文版略有差异。

[2]. 爱因斯坦曾表示他宁愿用枪直接杀了这只猫以免它遭受这种又死又活的状态,他另一句更有名的名言“上帝不掷骰子”表达了同样的意思。

[3]. 这是个双关的文字玩笑, 原文“the cat was out of the bag”(猫从袋子里出来了)是一个俗语,表示秘密泄露了。

[4]. 这个名字在德语里就是Zoe die katze(一只叫佐伊的猫)。

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