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科学史上的一场百年论战、虽有结果,但未分高下,争论仍在继续

如果有人问我,科学历史上最伟大的争论是哪个?那么要我说就是关于量子力学的解释之争,持续百年仍在继续。这其中,以爱因斯坦和玻尔的争论最为亮眼,没有之一。这场旷世争论使波粒二象性的意义不断得到澄清,一步步逐渐深入的揭示了量子力学的本质含义。

这场争论也是量子力学发展的一个重要组成部分,争论的一个中心论题是:科学规律本质上是因果性的,还是概率性的?然而,这场争论并没有破坏爱因斯坦和波尔的友谊,他们相互尊重,为我们后人树立了榜样,值得我们学习。

爱因斯坦和玻尔

一、量子力学的非决定论解释:哥本哈根学派的统计诠释

1921年,丹麦物理学家玻尔带领着一众后辈:海森堡、泡利和玻恩等物理学家在哥本哈根创建了理论物理研究所,后来发展成为哥本哈根学派。海森堡的“不确定原理”和玻尔的“互补原理”构成了哥本哈根学派诠释量子力学的两大主要支柱。1927年后,哥本哈根的概率统计诠释逐渐为大多数物理学家所接受,被人们称为量子力学的“主流”解释。

我们可以把哥派诠释概括为四个要点: 第一、可观察量是建立理论的基础和依据;第二、量子跃迁是量子力学的最基本概念;第三、描述微观客体的波函数是一种几率波,粒子出现的几率由波幅的平方所决定;第四、从实验中所观察到微观现象,只能用经典预言做出描述。

二、坚持物理学决定论的代表人物:爱因斯坦的观点

哥派的解释虽然成为了主流,但是以爱因斯坦为首的另一部分物理学家,如薛定谔、德布罗意等对哥派的统计观点提出了质疑。其中以爱因斯坦的观点最具代表性,主要表现在两方面:其一是,爱因斯坦坚持完全的因果性,对统计概率持有不同意见;其二是,对观察到的是物理实在而不是客观实在的观点持有异议。

物理学家薛定谔

三、决定论率先发难,薛定谔拉开了论战的序幕

1926年9月,薛定谔应邀到哥本哈根理论物理研究所介绍他的波动力学。在演讲结束时,薛定谔提出应该放弃量子跃迁的概念,而代之以三维空间的波来描述微观粒子的行为。即以经典的连续性观念,代替量子力学理论中的间断性观念。薛定谔的这一想法一提出来,立即遭到哥本哈根学派的强烈反对。

1926年12月爱因斯坦给玻恩写信时说:“上帝不是在掷 子”,当玻恩问到爱因斯坦的意见时,爱因斯坦表示赞同量子力学的系综几率解释,但不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论的观点。爱因斯坦的发言掀引发了他和玻尔之间就量子力学诠释问题的公开争论。

第五次索尔维会议上的物理学大佬们的合影

四、非决定论的反击:玻尔顶在了第一位

1927年9月,在意大利科摩召开的一次纪念意大利科学家伏打逝世一百周年的会上,玻尔第一次提出了“互补原理”。这篇演说不仅用物理学语言,而且还用了大量的哲学语言。这使科学家们感到震惊。薛定谔和劳厄不赞成玻尔的观点,尤其是不同意把量子力学建立在不确定原理和概率统计解释上。

1927年10月在布鲁塞尔召开了第五次索尔维会议。会议主题是“电子和光子”然而却让量子力学抢了风头。在玻恩和海森堡做关于矩阵力学的报告时指出:“我们主张量子力学是一种完备的理论,它的基本物理假说和数学假说是不能进一步被修改的。”这番话无疑是向不同意见提出了挑战。接着玻尔阐述了他的“互补原理”,重复了他上个月在科摩会议上的观点。

电子双缝衍射实验示意图

五、唇枪舌剑:爱因斯坦火力充足、玻尔从容应对

爱因斯坦提出了一个“单缝衍射”理想实验,来说明自己的观点。如图所示。一束电子射向遮光屏S,通过小孔O在半球面胶片P上得到衍射图像。这可用两个观点进行解释:

第一种观点认为,“同德布罗意---薛定谔波相对应的,不是一个电子,而是一团分布在空间中的电子云”; |Ψ2|表示在被观察的那一部分空间电子云中,一个粒子存在的几率。“量子论对于任何单个过程是什么也没有说,它只是给出关于一个相对说来无限多个基元的集合的知识”;

第二种观点认为, “量子论力图完备的描述某些单个过程。落到S上的每个粒子,不是由位置和速度来表征,而是用一个…德布罗意---薛定谔波束来描写的。这个波束经受了衍射之后,它的一部分落到胶片P上。” |Ψ2|表示在所考察的时刻一个特定粒子存在于所给地方的几率。“这样,量子论是研究一个单个过程,并且力图充分的描述全部的事实和规律性。”

物理学家 德布罗意

爱因斯坦认为,第二种观点包含了第一种观点的全部结果,但相反的论断却不能成立,这是同相对性的假设相矛盾的。

接着他具体阐述了反对第二种观点的看法:“如果认为, |Ψ2|是简单地给出了在被观察的胶片上的某一部分在给定的时刻某个粒子存在的几率,那么,由此就必须得出这样的结论:一个同一的基元过程在胶片的第二个或者更多个地方起作用。然而,认为对应于|Ψ2|的,是表示一定粒子存在于完全确定的地方的几率,这样的一种解释就必须以完全特殊的超距作用为前提,而不允许连续分布在空间中并且同时在胶片的二个部分表现出自己的作用的波的存在。”

玻尔经过认真思考,指出:不能避免在测量时仪器对电子不可控制的相互作用,即电子与狭缝边沿的相互作用。

爱因斯坦再次提出电子双缝干涉实验。如果让大量电子通过A、B,会在屏C上出现干涉条纹。若控制电子枪O,让它一个一个的发射电子,屏C上就会出现一个一个的亮点,并可测量他们的位置。如果分别关闭M或N,就可以知道电子是通过M还是N,从而可测出电子的准确路径。由干涉条纹可计算电子波的波长,从而可精确确定电子的动量。否定了测不准关系。

玻尔经过认真思考后反驳说,如果关闭狭缝N和M中的任一个,实验状态就完全改变了,在双缝开启时出现的干涉现象就不再出现,实验回到了单缝状态,只不过先后通过了两条单狭缝,等于多了一次与狭缝相互作用的不确定因素。更重要的是,电子行为依赖于壁障上有没有另一条狭缝,即依赖于我们对实验的安排。这样,玻尔把爱因斯坦用来反驳互补原理的理想实验,反而变成了用互补原理说明波粒二相性的例子。

光子箱思想实验装置

六、爱因斯坦再出江湖把论战推向高潮

1930年10月,第六届索尔维会议上,爱因斯坦与玻尔的争论达到一个高潮。量子力学的讨论再次抢走了会议主题。爱因斯坦端出了一个新的理想实验:光子箱实验,试图从能量和时间这一对共轭变量的测量来否定测不准关系。

一个光子箱悬挂在上底座上,不消耗辐射能。箱壁上开一小孔C,并设有用计时装置控制的快门。箱子下面挂一重物G,整个箱子重量可由装在箱子外面的指针测定。在从快门打开到闭合的时间Δt里,只让一个光子飞出;Δt可通过计时装置精确测定;由于飞出一个光子而引起的整个箱子的质量改变Δm也可精确测定,由只能关系式即可计算出能量的变化ΔE。这样Δt和ΔE就可同时精确测定。测不准关系不再成立。

听了爱因斯坦“光子箱”的发言,据说当时玻尔“面色苍白,呆若木鸡”。面对这一严重挑战,玻尔经过一个不眠之夜的思考,终于找到了爱因斯坦的疏漏之处,第二天玻尔做了一个漂亮的回答。

玻尔指出,如果光子箱的重量是用弹簧秤来测量的,那么当光子飞出去而引起箱子的重量发生变化时,箱子必将沿重力方向发生运动。这时,即使重量的测量是准确的,但是由于箱子在重力场中发生了位置变化,箱子内的钟的快慢也将因广义相对论的红移效应而发生改变,从而使时间的测量产生一个不确定量。玻尔由此得出结论:用这种仪器作为精确测定光子能量的工具,将不能控制光子逸出的时间。

爱因斯坦精心设计的“光子箱”理想实验,不但没有难倒玻尔,反而成了测不准原理的一个绝好例证。爱因斯坦不得不承认玻尔的结论无可指责。

1935年5月爱因斯坦和美国物理学家波多尔斯基(B.E.Podolsky)、罗森(N.Rosen)合作发表了《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》,对量子力学完备性提出了有力的反驳,即“EPR佯谬”。

文章在论述完“完备”理论的必要条件和鉴别“物理实在”的充分条件后认为:对于一对共扼物理量只能是:或者认为量子态Ψ对于实在的描述是不完备的;或者是对应于这两个不能对易的算符的物理量不能同时具有物理的实在性。

最后爱因斯坦等人得出结论:量子力学的波函数只能描述多粒子组成的体系(系综)的性质,而不能准确的描述单个体系(如粒子)的某些性质;但是一个完备性的理论应当能描述物理实在(包括单个体系)的每个要素的性质,所以不能认为量子力学理论描述是完备的。

玻尔认为,不可能以毫不含糊的方式来确定EPR所指的那些物理量,因为物理量本身就同测量条件和方法紧密联系着,确定物理量的这些条件使EPR所做的关于“实在”的定义在本质上就含糊不清了。玻尔认为,任何量子力学测量结果的报道给我们的不是关于客体的状态,而是关于这个客体侵没在其中的整个实验场合。这个整体性特点,就保证了量子力学描述的完备性。

玻姆版本的epr思想实验.

七、一场没有完成的世纪争论

这场精彩的量子力学决定论和非决定论之争,被突然爆发的二战给打断了,直到1948年,爱因斯坦对EPR佯谬又做了一次深入的讨论。1949年玻尔也发表了《就原子物理学的认识论问题和爱因斯坦进行商榷》的长篇文章,但基本都属于各说各话的历史追述,而不像以前那样针锋相对的论战了。

这是一场真正的科学论战。爱因斯坦完全承认,统计性的量子理论为理论物理学代来了极其重大的进展;这个理论也是迄今为止唯一能把波粒二象性以逻辑上令人满意的方式统一起来的理论。玻尔更是这样,据他的助手回忆,在每一个重大问题上,玻尔习惯上总是先考虑爱因斯坦是怎样想的;1962年11月18日玻尔逝世时,人们在他工作室的黑板上发现了两张草图,其中之一就是爱因斯坦的光子箱。

关于这场未有完成的争论,本文就先介绍到这里,敬请期待下篇《决定论王者归来:波姆的量子势理论》

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