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玻爾與愛因斯坦的爭論 量子力學(xué)建立以后，對于量子力學(xué)的物理解釋和哲學(xué)意義，一直存在著嚴(yán)重的分歧和激烈的爭論。許多著名物理學(xué)家、哲學(xué)家、實驗物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家等都卷入了這場爭論。爭論之深刻、廣泛，在科學(xué)史上是罕見的。在這其中，以玻爾和愛因斯坦之間的爭論最為引人注目。 1．量子力學(xué)的哥本哈根學(xué)派的詮釋 1921年玻爾在丹麥哥本哈根創(chuàng)建了理論物理研究所(1965年改名為玻爾研究所)。并很快成為當(dāng)時國際上公認(rèn)的物理研究中心。逐漸形成了以玻爾為核心、以哥本哈根的名字命名的學(xué)派。對量子力學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展做出了杰出貢獻(xiàn)，代表人物有玻爾、海森堡、泡利和玻恩等。海森堡的“測不準(zhǔn)關(guān)系”和玻爾的“互補原理”構(gòu)成了哥本哈根學(xué)派詮釋量子力學(xué)的兩大主要支柱。1927年后，逐漸為大多數(shù)物理學(xué)家所接受。因此被人們稱為量子力學(xué)的“正統(tǒng)”解釋。 ①波函數(shù)的幾率詮釋：在微觀領(lǐng)域里，力學(xué)的因果律和決定論都遭到了破壞。在相同的實驗條件下，可以發(fā)生各種不可預(yù)測個體量子過程，每次測量都會由于觀測儀器與客體之間不可控制的相互作用而引進(jìn)新的實驗條件，使通常情況下的因果鏈被打斷。所以在量子力學(xué)中，人們必須放棄力學(xué)意義上的因果律和決定論，而把幾率性看成是本質(zhì)的。 ②測不準(zhǔn)關(guān)系：1927年，海森堡在論文《量子論中運動學(xué)和動力學(xué)的可觀測內(nèi)容》中，提出了著名的“測不準(zhǔn)原理”。為了說明他的測不準(zhǔn)原理，海森堡設(shè)計了一個理想實驗：用一個γ射線顯微鏡觀測一個電子。由于顯微鏡的分辨率受光波波長的限制，為了精確確定電子的位置，應(yīng)該使用波長短的光，而波長越短，光子的動量越大，根據(jù)康普頓散射，引起電子動量的變化就越大。因此電子的位置愈準(zhǔn)確，就愈難確定電子的動量。反之亦然。 海森堡認(rèn)為，微觀粒子既不是經(jīng)典的粒子，也不是經(jīng)典的波；當(dāng)人們用宏觀儀器觀測微觀粒子時，就會發(fā)生觀測儀器對微觀粒子行為的干擾，使人們無法準(zhǔn)確掌握微觀粒子的原來面貌；而這種干擾是無法控制和避免的，就像盲人想知道雪花的形狀和構(gòu)造。通過仔細(xì)分析，海森堡得出電子坐標(biāo)的不確定程度Δx和動量的不確定程度Δp遵從：Δx?Δp～h；同樣，能量和時間這種正則共軛物理量也遵從測不準(zhǔn)關(guān)系，海森堡認(rèn)為“這種不確定性，正是量子力學(xué)中出現(xiàn)統(tǒng)計關(guān)系的根本原因”。 ③互補原理：海森堡認(rèn)為，測不準(zhǔn)關(guān)系的存在，表明了位置和動量、時間和能量這些經(jīng)典概念在微觀領(lǐng)域的適用界限；玻爾則認(rèn)為這一原理并不表明粒子語言和波動語言的不適用性，只是表明同時應(yīng)用它們既是不可能的，但又必須同等應(yīng)用它們才能對物理現(xiàn)象提供完備的描述。也就是說，微觀粒子具有波粒二相性，正是用經(jīng)典語言描述微觀客體的結(jié)果，但經(jīng)典理論中波和粒子這兩種圖象卻不能同時存在，它們是相互排斥的，并且，無論是那一種圖象都不能向我們提供微觀客體的完整描述；只有把這兩種圖象結(jié)合起來、相互補充，才能提供微觀客體的完整描述。這就是玻爾的互補原理。這種互補概念適用與整個物理學(xué)，甚至成為一種哲學(xué)原理。 哥本哈根學(xué)派的主要思想和觀點大致可概括為四個方面： ①可觀察量是建立理論的基礎(chǔ)和依據(jù)。 ②量子躍遷是量子力學(xué)的最基本概念。 ③描述微觀客體的波函數(shù)是一種幾率波，粒子出現(xiàn)的幾率由波幅的平方所決定。 ④從實驗中所觀察到微觀現(xiàn)象，滿足測不準(zhǔn)關(guān)系和互補原理。 2．愛因斯坦的觀點 以愛因斯坦為首的另一部分物理學(xué)家，如薛定諤、德布羅意等對哥本哈根學(xué)派的觀點提出了質(zhì)疑。主要表現(xiàn)在兩方面： ①因果性還是幾率波？早在1920年1月27日，愛因斯坦針對泡利反對連續(xù)區(qū)理論的觀點表示了他自己對“完全的因果性”的信念。1924年4月愛因斯坦給玻恩夫婦的信中，他針對玻爾關(guān)于輻射的波動在本質(zhì)上是幾率波的假設(shè)而評論說：“玻爾關(guān)于輻射的意見是很有趣的。但是，我決不愿意被迫放棄嚴(yán)格的因果性，將對它進(jìn)行更強有力的保衛(wèi)。我覺得完全不能容忍這樣的想法，即認(rèn)為電子受到輻射的照射，不僅它的跳躍時刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去選擇?！? ②量子力學(xué)僅可建立在可觀察量的基礎(chǔ)上？愛因斯坦對這一觀點也提出異議。1926年春天，他在海森堡的一次談話中，提出了“是理論決定我們能夠觀察到的東西”的觀點。 3．論戰(zhàn)的爆發(fā) ①序幕：1926年9月，薛定諤應(yīng)玻爾的邀請，到哥本哈根介紹他的波動力學(xué)。在結(jié)束時，薛定諤提出應(yīng)該放棄量子躍遷的概念，而代之以三維空間的波來描述微觀客體的行為。即以傳統(tǒng)的連續(xù)性觀念，代替量子力學(xué)理論中的間斷性觀念。薛定諤的這一想法一提出來，立即遭到玻爾的強烈反對。這一爭論可以看做是愛因斯坦和玻爾爭論的序幕。 ②玻爾的互補原理：1927年9月，在意大利科摩召開的一次紀(jì)念意大利科學(xué)家伏打逝世一百周年的會上，玻爾第一次提出了“互補原理”。這篇演說不僅用物理學(xué)語言，而且還用了大量的哲學(xué)語言。這使科學(xué)家們感到震驚。薛定諤和老厄不贊成玻爾的觀點，尤其是不同意把物理學(xué)建立在測不準(zhǔn)關(guān)系或其他不確定的統(tǒng)計解釋上。 ③論戰(zhàn)開始：幾個星期后，1927年10月在布魯塞爾召開了第五次索爾維會議。會議主題是“電子和光子”。在玻恩和海森堡做關(guān)于矩陣力學(xué)的報告時指出：“我們主張量子力學(xué)是一種完備的理論，它的基本物理假說和數(shù)學(xué)假說是不能進(jìn)一步被修改的?！边@番話無疑是向不同意見提出了挑戰(zhàn)。接著玻爾闡述了他的“互補原理”，重復(fù)了他在科摩會議上的觀點。由于愛因斯坦一直對量子力學(xué)的統(tǒng)計解釋感到不滿，他曾在1926年12月給玻恩寫信時說：“上帝不是在擲 子”，當(dāng)玻恩問到愛因斯坦的意見時，愛因斯坦表示贊同量子力學(xué)的系綜幾率解釋，但不贊成把量子力學(xué)看成是單個過程的完備理論的觀點。（愛因斯坦對測不準(zhǔn)關(guān)系和量子力學(xué)的幾率解釋極為不滿，認(rèn)為這是由于量子力學(xué)主要的描述方式不完備造成的，所以只能得出不確定的結(jié)果。）愛因斯坦的發(fā)言掀起了波浪，也從此引發(fā)了他和玻爾之間就量子力學(xué)詮釋問題的公開爭論。 ④愛因斯坦的單縫衍射實驗：愛因斯坦提出了一個“單縫衍射”理想實驗，來說明自己的觀點。如圖所示。一束電子射向遮光屏S，通過小孔O在半球面膠片P上得到衍射圖像。這可用兩個觀點進(jìn)行解釋： 第一種觀點認(rèn)為，“同德布羅意---薛定諤波相對應(yīng)的，不是一個電子，而是一團(tuán)分布在空間中的電子云”； |Ψ2|表示在被觀察的那一部分空間電子云中，一個粒子存在的幾率?！傲孔诱搶τ谌魏螁蝹€過程是什么也沒有說，它只是給出關(guān)于一個相對說來無限多個基元的集合的知識”； 第二種觀點認(rèn)為， “量子論力圖完備的描述某些單個過程。落到S上的每個粒子，不是由位置和速度來表征，而是用一個…德布羅意---薛定諤波束來描寫的。這個波束經(jīng)受了衍射之后，它的一部分落到膠片P上?！?|Ψ2|表示在所考察的時刻一個特定粒子存在于所給地方的幾率?！斑@樣，量子論是研究一個單個過程，并且力圖充分的描述全部的事實和規(guī)律性?！? 愛因斯坦認(rèn)為，第二種觀點包含了第一種觀點的全部結(jié)果，但相反的論斷卻不能成立，這是同相對性的假設(shè)相矛盾的。 接著他具體闡述了反對第二種觀點的看法：“如果認(rèn)為， |Ψ2|是簡單地給出了在被觀察的膠片上的某一部分在給定的時刻某個粒子存在的幾率，那么，由此就必須得出這樣的結(jié)論：一個同一的基元過程在膠片的第二個或者更多個地方起作用。然而，認(rèn)為對應(yīng)于|Ψ2|的，是表示一定粒子存在于完全確定的地方的幾率，這樣的一種解釋就必須以完全特殊的超距作用為前提，而不允許連續(xù)分布在空間中并且同時在膠片的二個部分表現(xiàn)出自己的作用的波的存在?！? 玻爾經(jīng)過認(rèn)真思考，指出：不能避免在測量時儀器對電子不可控制的相互作用，即電子與狹縫邊沿的相互作用。 ⑤雙縫干涉實驗：愛因斯坦又想出了一個類似托馬斯?楊的雙縫干涉實驗，如圖所示。如果讓大量電子通過A、B，會在屏C上出現(xiàn)干涉條紋。若控制電子槍O，讓它一個一個的發(fā)射電子，屏C上就會出現(xiàn)一個一個的亮點，并可測量他們的位置。如果分別關(guān)閉M或N，就可以知道電子是通過M還是N，從而可測出電子的準(zhǔn)確路徑。 由干涉條紋可計算電子波的波長，從而可精確確定電子的動量。否定了測不準(zhǔn)關(guān)系。 玻爾經(jīng)過認(rèn)真思考后反駁說，如果關(guān)閉狹縫N和M中的任一個，實驗狀態(tài)就完全改變了，在雙縫開啟時出現(xiàn)的干涉現(xiàn)象就不再出現(xiàn)，實驗回到了單縫狀態(tài)，只不過先后通過了兩條單狹縫，等于多了一次與狹縫相互作用的不確定因素。更重要的是，電子行為依賴于壁障上有沒有另一條狹縫，即依賴于我們對實驗的安排。這樣，玻爾把愛因斯坦用來反駁互補原理的理想實驗，反而變成了用互補原理說明波粒二相性的例子。 愛因斯坦并沒有因為自己的質(zhì)疑被玻爾化解而改變自己的看法，他說過一句充分表達(dá)內(nèi)心信念的名言：“你相信擲 子，我卻相信客觀存在的世界中的完備定律和秩序?！? 4．爭論的高潮 在1930年10月召開的第六屆索爾維會議上，愛因斯坦與玻爾的爭論達(dá)到一個高潮。會議主題是“物質(zhì)的磁性”，不過關(guān)于量子力學(xué)的討論卻成了實際上的主要內(nèi)容。起因是愛因斯坦提出了一個新的理想實驗，試圖從能量和時間這一對共軛變量的測量來否定測不準(zhǔn)關(guān)系。 ①“光子箱”實驗：如圖示。一個光子箱懸掛在上底座上，不消耗輻射能。箱壁上開一小孔C，并設(shè)有用計時裝置控制的快門。箱子下面掛一重物G，整個箱子重量可由裝在箱子外面的指針測定。在從快門打開到閉合的時間Δt里，只讓一個光子飛出；Δt可通過計時裝置精確測定；由于飛出一個光子而引起的整個箱子的質(zhì)量改變Δm也可精確測定，由只能關(guān)系式即可計算出能量的變化ΔE。這樣Δt和ΔE就可同時精確測定。測不準(zhǔn)關(guān)系不再成立。 聽了愛因斯坦“光子箱”的發(fā)言，據(jù)說當(dāng)時玻爾“面色蒼白，呆若木雞”。面對這一嚴(yán)重挑戰(zhàn)，玻爾經(jīng)過一個不眠之夜的思考，終于找到了愛因斯坦的疏漏之處，第二天玻爾做了一個漂亮的回答。他指出，如果光子箱的重量是用彈簧秤來測量的，那么當(dāng)光子飛出去而引起箱子的重量發(fā)生變化時，箱子必將沿重力方向發(fā)生運動。這時，即使重量的測量是準(zhǔn)確的，但是由于箱子在重力場中發(fā)生了位置變化，箱子內(nèi)的鐘的快慢也將因廣義相對論的紅移效應(yīng)而發(fā)生改變，從而使時間的測量產(chǎn)生一個不確定量。玻爾由此得出結(jié)論：用這種儀器作為精確測定光子能量的工具，將不能控制光子逸出的時間。 愛因斯坦精心設(shè)計的“光子箱”理想實驗，不但沒有難倒玻爾，反而成了測不準(zhǔn)原理的一個絕好例證。愛因斯坦不得不承認(rèn)玻爾的結(jié)論無可指責(zé)。 ② “EPR佯謬”：第六屆索爾維會議之后，愛因斯坦承認(rèn)了海森堡的測不準(zhǔn)原理和量子力學(xué)理論在邏輯上的自恰性，但是仍堅持認(rèn)為量子力學(xué)是不完備的。1935年5月愛因斯坦和美國物理學(xué)家波多爾斯基(B.E.Podolsky)、羅森(N.Rosen)合作發(fā)表了《能認(rèn)為量子力學(xué)對物理實在的描述是完備的嗎？》，對量子力學(xué)完備性提出了有力的反駁，即“EPR佯謬”。文章在論述完“完備”理論的必要條件和鑒別“物理實在”的充分條件后認(rèn)為：對于一對共扼物理量只能是：或者認(rèn)為量子態(tài)Ψ對于實在的描述是不完備的；或者是對應(yīng)于這兩個不能對易的算符的物理量不能同時具有物理的實在性。 最后愛因斯坦等人得出結(jié)論：量子力學(xué)的波函數(shù)只能描述多粒子組成的體系（系綜）的性質(zhì)，而不能準(zhǔn)確的描述單個體系（如粒子）的某些性質(zhì)；但是一個完備性的理論應(yīng)當(dāng)能描述物理實在（包括單個體系）的每個要素的性質(zhì)，所以不能認(rèn)為量子力學(xué)理論描述是完備的。 ③波爾對“EPR佯謬”的應(yīng)答：波爾認(rèn)為，不可能以毫不含糊的方式來確定EPR所指的那些物理量，因為物理量本身就同測量條件和方法緊密聯(lián)系著，確定物理量的這些條件使EPR所做的關(guān)于“實在”的定義在本質(zhì)上就含糊不清了。玻爾認(rèn)為，任何量子力學(xué)測量結(jié)果的報道給我們的不是關(guān)于客體的狀態(tài)，而是關(guān)于這個客體侵沒在其中的整個實驗場合。這個整體性特點，就保證了量子力學(xué)描述的完備性。 5．沒有結(jié)尾的尾聲 由于二次世界大戰(zhàn)，爭論平息了一個時期。直到1948年，愛因斯坦對EPR佯謬又做了一次深入的討論。1949年玻爾也發(fā)表了《就原子物理學(xué)的認(rèn)識論問題和愛因斯坦進(jìn)行商榷》的長篇文章，但基本都屬于“各說各的”的歷史追述，而不像以前那樣針鋒相對的論戰(zhàn)了。 這是一場真正的科學(xué)論戰(zhàn)。愛因斯坦完全承認(rèn)，統(tǒng)計性的量子理論為理論物理學(xué)代來了極其重大的進(jìn)展；這個理論也是迄今為止唯一能把二相性以邏輯上令人滿意的方式統(tǒng)一起來的理論。玻爾更是這樣，據(jù)他的助手回憶，在每一個重大問題上，玻爾習(xí)慣上總是先考慮愛因斯坦是怎樣想的；1962年11月18日玻爾逝世時，人們在他工作室的黑板上發(fā)現(xiàn)了兩張草圖，其中之一就是愛因斯坦的光子箱。 6．意義 愛因斯坦和玻爾的爭論，使量子力學(xué)的意義不斷得到澄清，一步步逐漸深入的揭示了量子力學(xué)的本質(zhì)含義。這場爭論也是量子力學(xué)發(fā)展的一個組成部分。這個爭論的一個中心論題是：科學(xué)規(guī)律本質(zhì)上是因果性的，還是概率性的？ 這場爭論并沒有破壞他們的友誼，他們相互尊重，為后人樹立了榜樣。 當(dāng)代物理學(xué)家惠勒(J.A.Wheeler)說：“我不知道哪里還會再出現(xiàn)兩各更偉大的人物，在更高的合作水平上，針對一個更深刻的論題，進(jìn)行一場為時更長的對話?！? 關(guān)于量子力學(xué)的解釋涉及許多哲學(xué)問題，其核心是因果性和物理實在問題。按動力學(xué)意義上的因果律說，量子力學(xué)的運動方程也是因果律方程，當(dāng)體系的某一時刻的狀態(tài)被知道時，可以根據(jù)運動方程預(yù)言它的未來和過去任意時刻的狀態(tài)。但是量子力學(xué)對決定狀態(tài)的物理量不能給出確定的預(yù)言，只能給出物理量取值的幾率。在這個意義上，經(jīng)典物理學(xué)因果律在微觀領(lǐng)域失效了。 量子力學(xué)表明，微觀物理實在既不是波也不是粒子，真正的實在是量子態(tài)。真實狀態(tài)分解為隱態(tài)和顯態(tài)，是由于測量所造成的，在這里只有顯態(tài)才符合經(jīng)典物理學(xué)實在的含義。 微觀體系的實在性還表現(xiàn)在它的不可分離性上。量子力學(xué)把研究對象及其所處的環(huán)境看作一個整體，它不允許把世界看成由彼此分離的、獨立的部分組成的。 玻爾：誰如果在量子面前不感到震驚，他就不懂得現(xiàn)代物理學(xué)；同樣如果誰不為此理論感到困惑，他也不是一個好的物理學(xué)家。 尾聲 |
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