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被三十多位“人类最强大脑”围观的小盒子,差点终结物理学……
1927年的索尔维大会结束后,玻尔在与爱因斯坦的就量子力学的角逐中占到上风,但他始终没能使爱因斯坦在两点上信服,一是哥本哈根诠释是当时唯一成功的量子力学诠释,二是量子力学是一个“完备的”理论。筋疲力尽的爱因斯坦却感到自己被征服了,他在写给索末菲的信中说,可能量子力学是一个成功的统计理论,“但是在概念上,它还不够完备”。
1930年10月20日,第六届索尔维大会再度在比利时首都布鲁塞尔召开,大会的主题是“磁性”,郎之万任大会主席,玻尔和爱因斯坦作为自然科学委员会成员被邀,此外还有狄拉克、海森堡、克拉默斯、泡利和索末菲等34名成员应邀出席,其中有10位诺贝尔奖获得者。
这次大会成员合影,这是幅极为珍贵的图片,图片中集中了30余位人类的“最智慧者”。
这次大会上,爱因斯坦有备而来,他拿出了自己的绝活——提出了一个“光盒子”的假想实验,首先向哥本哈根学派发起了挑战。
爱因斯坦声称,这是违反“不确定性原理”的另一个“绝活儿”,因为利用这个“光盒子”,可以同时精确测出一个光子的“时间”和“能量”,而根据“不确定性原理”,这两个量是不可能同时被精确测定的。由于与大会的主题不符,他与玻尔的争论只能在会下进行,这场争论的细节没有被正式记录,只是由一些目击者的回忆片段收集而来。
爱因斯坦的“光盒子”的确设计得非常狡黠,多年以后,玻尔为这个光盒子绘制了一个如下图的示意图。
这是一个充满光子的密闭盒子,在它的侧壁上有一个可以开合的小孔,其挡板受到盒子里的时钟控制,这只时钟预先与盒子外实验室时钟调整好同步。把盒子里的时钟定时后,在适当的时刻打开挡板。实验开始时,先对盒子称重,然后定时打开挡板,放出一个光子。光子逃逸出去的时刻可以由时钟精确地知道。
玻尔仔细地听着,不放过任何一个细节,但从上述的每一个步骤中,他都没有找出破绽。正在不知爱因斯坦 “葫芦里卖的是什么药”的时候,爱因斯坦的脸上突然现出一抹诡笑,说道:“现在请你称重这个盒子。”就在这一瞬间,玻尔恍然大悟,意识到他和哥本哈根诠释陷入了“大麻烦”。
这第二次称重的细节,玻尔实在没有想到。原来,在专利局的时候,爱因斯坦就有了惊人的发现,质量和能量是不可分的。对于失去了一个光子的“光盒子”无疑可以通过称重得知失去一个光子的质量,同时也就知道了这个光子的能量。
根据海森堡的测不准原理,任何粒子的时间和能量都不能同时被精确测准,而现在这个实验直接摧毁了这个原理。真是把玻尔镇住了,这天晚上玻尔的心情非常不好,他找了一个人又一个人,希望说服他们爱因斯坦所说是“不真实”的。如果爱因斯坦是对的,等于物理学走入了死胡同,物理学也就终结了,但是他找不出任何理由来反驳他。
玻尔的助手罗森菲尔德不是大会的代表,他顺道来看望玻尔,以后始终不忘那天所看到的情况。事后他回忆说,这些代表开完会回到酒店时,“爱因斯坦趾高气扬、大步流星地走着,脸上露出狡黠的笑容,而玻尔却在一旁一路小跑地跟着,神情激动地询问着爱因斯坦这个'光盒子’是否真的能运行,这是否意味着物理学的终结。”爱因斯坦却不那么急,对他来说,这既不是什么“终结”,也不是什么“开始”,他只不过想由此说明量子力学前后矛盾,是不完备的。与此同时,他还想击败不确定性原理,以拯救物理学的“因果律”,证明“物理真实”独立于“观察”而存在。
这一晚上,玻尔心烦意乱,通宵未眠,翻来覆去地审查爱因斯坦“光盒子”实验的每一个细节,后来,他把思考集中到了称重上。突然,脑中灵光一闪,他笑了,爱因斯坦终于“露了马脚”,这个相对论大师犯了一个“不可饶恕”的相对论错误。
他准备明日早餐桌上品尝胜利的滋味。
爱因斯坦和玻尔
在爱因斯坦的广义相对论中,一个重要的成果是引力的“时钟的延迟效应”,也就是在引力场越强的地方,时钟越慢。如果一只钟挂在天花板上,另一只钟放在地板上,地板上的钟要比天花板上的钟慢3×10-16秒。玻尔抓住了这个细节。他是这样回击爱因斯坦的,当“光盒子”失去一个光子时,因为失去一份能量,质量也随之减轻,盒子必然上升,事先与实验室钟表调整好同步的钟就失去了同步,因而不可能精确测量光子逃逸出去的时间,所以能量与时间不可能同时测准。哥本哈根诠释不仅没有被撼动,反而进一步说明了它与相对论有内在联系。
1930年10月25日,索尔维大会第六届会议结束,爱因斯坦最终接受了玻尔的观点,不再揪住“不确定原理”不放,而把思考的重点放在了量子力学的“完备性”上。
后来,爱因斯坦为海森堡和薛定谔做了诺贝尔奖的提名,在提名意见上,他写道:“以我的意见,该理论毫无疑义是一个真理。”
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文源:《科学史上的365天》,略有删改
作者:魏凤文 武轶
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