迄今为止物理界最阔绰阵容“华山论剑”之索尔

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量子力学终于在1924~1925年之间由海森堡和薛定谔各自独立地建立起来,随后M玻恩给出了波函数的概率解释。漂亮的方程从形式上看起来是那么完美,一切似乎万事大吉。然而物理学家们
迄今为止物理界最阔绰阵容“华山论剑”之索尔

迄今为止物理界最阔绰阵容“华山论剑”之索尔

  量子力学终于在1924~1925年之间由海森堡和薛定谔各自独立地建立起来,随后M·玻恩给出了波函数的概率解释。漂亮的方程从形式上看起来是那么完美,一切似乎万事大吉。然而物理学家们始料不及的是,量子力学的宏伟大厦在形式上的完成不仅没有平息人们的困惑,反而掀起了一场更大的风暴。

  围绕着量子力学的诠释,在物理学家们中间引起了激烈的争执,旷日持久的争执引起了物理学家的分裂。爱因斯坦,这个二十世纪物理学革命的伟大旗手,量子论的先驱,如今却站到了它的反面,公开地反对哥本哈根的那一帮人赋予它的概率性的解释,这多少让玻尔觉得有些难受。随着双方几个回合的交锋,越来越多的物理学家倒向了玻尔的阵营,哥本哈根的诠释随即也被奉为“量子力学的正统观点”,爱因斯坦的身边只剩下德罗布意和薛定谔这两个同情与支持者。越来越多的物理学家开始对爱因斯坦的“出走”(甚至有人认为这是对新物理学的“背叛”)表示不满,因为大家都曾经那么深信不疑:思想开明甚至是激进的爱因斯坦,怎么可能充当新物理学的绊脚石?就连爱因斯坦的挚友埃伦菲斯特都直言不讳地当着爱因斯坦的面发牢骚:“爱因斯坦,我真为你感到羞耻!想不到你居然也扮演了那些反对相对论的人的角色!”然而爱因斯坦只服从他内心的声音,而现在这个声音告诉他:这(量子力学的概率诠释)不是真实的。于是结果就这样注定了:爱因斯坦与其他人分道扬镳,渐行渐远,在余生近乎隐居的生活里,独自探索着遥不可及的统一场论;物理学则失去了它的伟大旗手。对于大家来说,这简直就是一个悲剧。M·玻恩以伤感的语调说道:“我们失去了我们的领袖。”派斯(爱因斯坦传记的作者、下一代的物理学家)则带着革命性的嘲讽口吻说:1925年以后,即使爱因斯坦以钓鱼为生,物理学也不会有什么损失。

  爱因斯坦是坚定的因果论者,他不相信哥本哈根学派对于客观实在的概率性的解释,他毫不怀疑哥本哈根学派用“概率”这样的概念来解释量子力学是出于某种实用主义的目的(他曾直言不讳地把它叫做“玻尔的绥靖主义哲学”),而且不止在一个场合表达他不相信“上帝是不掷骰子的”的观点。早在1926年写给波恩的信里,他就说:“量子力学令人印象深刻,但是一种内在的声音告诉我它并不是真实的。这个理论产生了许多好的结果,可它并没有使我们更接近‘老头子’的奥秘。我毫无保留地相信,‘老头子’是不掷骰子的。”(“老头子”是爱因斯坦对上帝的昵称。)

  相比之下,玻尔本人似乎更像一位莫测高深的“不可知论者”(他毫无疑问的并不是这样的人),他似乎更倾向于不简单明了地把观点表达出来,他反对用一两个简单的概念或者观点来阐述问题,因为这样是片面而不完备的,不符合“互补”的观点(相比之下爱因斯坦阐述问题要直截了当得多。我个人更倾向于认为玻尔的这种云山雾罩的态度有效地增加了量子力学的不可理解性,很有些像老子所说的“道可道,非常道;名可名,非常名”的派头)。

  1925年第5次索尔维会议期间,爱因斯坦和玻尔进行了激烈的交锋。常常是头脑敏捷的爱因斯坦在早餐桌上迅速地抛出一个又一个思想实验来敲打哥本哈根的解释,而玻尔则面色凝重地接过来仔细推敲,而到了晚上,问题通常都能解决,而且都是玻尔取得胜利,于是爱因斯坦就在夜深人静之际炮制自己的下一发炮弹。

  1930年的第6次索尔维会议上,爱因斯坦带来了一颗重磅炸弹:他精心设计了一个光子箱的思想实验来反驳玻尔和他的弟子们的观点:一个理想的内有若干光子的箱子,上面开一个小孔,并用一个快门来控制小孔的开闭,控制小孔的开闭频率,使得箱子开启的时间△t足够小(这个△t虽然小,却因为是可控制的,因而也是可确定的),可以使得在△t内从箱子内只能逸出一个光子。逸出的光子的质量m可以用放置箱子的一架理想天平精确地通过测量光子逸出前后箱子的质量差△m测出,即m=△m,根据相对论的质能方程E=mc2,可以精确地算出逸出光子的能量△E。那么,△E和△t都很确定,海森堡的公式△E·△t≥h/4π也就不成立。所以整个量子论是错误的!

  爱因斯坦的精妙设计让玻尔目瞪口呆。罗森菲尔德回忆道:“这对玻尔是一次不小的震动……他没能立即找到答案,整个晚上他极度忧伤,一个又一个地想说服别人那不可能是真的,因为假如爱因斯坦是对的,那将意味物理学的终结。我将永远不会忘记两个冤家对头离开〔学术基金会〕俱乐部的情形:爱因斯坦,一个高大的形象,平静地走着,带着些许讽刺的微笑,而玻尔灰溜溜的走在他的附近……第二天上午就迎来了玻尔的胜利。”

  玻尔苦思一夜得出的结论,居然是爱因斯坦在设计这个实验的时候忘记了这样一个重要的因素:根据爱因斯坦的广义相对论,引力场会产生红移效应,物质处于引力场中会产生与狭义相对论类似的时钟变慢现象,当改变箱子的质量时(其实也就是改变引力场的质量时),时间的长度会发生改变,这时△t就不再能测准了。

  爱因斯坦被自己的理论打败了,他哑口无言,但并不认输。用玻尔的话说:“他被打败了,但并没有服输”。这一次会议之后,爱因斯坦和玻尔之间面对面的论战算是告一段落了。爱因斯坦没有出席1933年的第7次索尔维会议,他已经在纳粹的疯狂迫害下被迫流亡美国。

  1935年,爱因斯坦(A.Einstein)和他的合作者波多尔斯基(B.Podolsky)、罗森(N.Rosen)联手抛出了一份题为《量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》的论文,其中设计了一个粒子衰变为两个粒子的判决实验,以责难的口吻表达他们对量子力学的哥本哈根解释的不满:假定一个自旋为0的大粒子衰变成A和B两个小粒子,那么在两个粒子通过观测仪器之前,按照哥本哈根解释,它们的状态是不确定的,但显然,为了维持总自旋的守恒,B粒子的状态时时刻刻总是由A粒子确定的(它只能与A粒子的自旋相反而不能相同,否则自旋就不能守恒),这显然是与哥本哈根解释及测不准原理相矛盾的,因此可见量子力学的解释是不完备的。后来他们提出的这一问题被物理学家以三人姓氏的首字母合称为EPR佯谬。玻尔不久以后就给出了自己的回答。迄今为止,围绕EPR佯谬所作的精密的实验结果全部支持量子力学的哥本哈根解释,但并没有解决量子力学本身存在的问题。量子力学依然处于令人尴尬的境地,一如著名理论物理学家理查德·费曼所说的那样:“我确信没有人能懂得量子力学”。

  玻尔一直到死,也未能使爱因斯坦信服,认为量子论的解释是完备的。在他1962年去世后的第二天,人们在他的黑板上仍然发现画有当年爱因斯坦光箱实验的草图。两位科学巨人都为各自的信念而奋斗了一生。需要指出的是,虽然爱因斯坦和玻尔之间在对于量子力学的哲学意义的认识上存在着激烈的争执,但这丝毫不影响两人之间的友谊。爱因斯坦喜欢比他小6岁的玻尔,他喜欢玻尔的直率和执拗;而玻尔也十分尊敬爱因斯坦,他在思考问题时总是会想:这个问题爱因斯坦会怎么看?这两位二十世纪物理学的巨人终生保持着友好的关系,玻尔流亡美国期间曾不止一次去看望爱因斯坦。