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走近量子纠缠-4-波尔和爱因斯坦之争 精选

已有 16204 次阅读 2012-2-7 06:45 |系统分类:科普集锦

现在,让我们再回到波尔和爱因斯坦有关量子理论的争论-以下簡稱為‘波爱之争’。

 

两人都是伟大的物理学家,对量子理论的发展都做出了杰出的贡献。分别因为解决光电效应问题和量子化原子模型而获得1921年、1922年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦和波尔的争论主要是有关量子力学的理论基础及哲学思想方面。实际上,也正因为这两位大师的不斷论战,量子力学才在辩论中发展成熟起来。爱因斯坦终身反对量子论,他提出了一个又一个的思想实验,企图证明量子论的不完备性和荒谬性,直到他们逝世之后,这场论战仍在物理学界继续进行。但遗憾的是,直到目前為止,每次的实验结果似乎并没有站在爱因斯坦这位伟人这边。

 

这场有关量子论的大论战搅得它的创立者们夜不能寐、寝食难安,当年在世的物理学家几乎全都被牵扯其中。学术界的纷争能促进学术的进步,但也能损害学者们的生理和心理健康,甚至还有物理学家因此而自杀的。

 

1909年,著名的奥地利物理学家玻尔兹曼在意大利度假的旅店里上吊自杀。玻尔兹曼性格孤僻内向,沉浸在他的“原子论”与奥斯特瓦尔德的“唯能论”不同见解的斗争中。这场论战与量子论之争拉不上多少关系,并且以玻尔兹曼的取胜而告终。但是,长长的辩论过程使玻尔兹曼精神烦躁,不能自拔,痛苦与日俱增,最后只能用自杀来解脱心中的一切烦恼。玻耳兹曼的死使学者们震惊,也在一定程度上影响了荷兰物理学家埃伦费斯特(Paul Ehrenfest18801933)。后者曾经师从玻耳兹曼,是爱因斯坦的好友,其“浸渐假说”与波尔的对应原理,是在经典物理学和量子力学之间架起的两座桥梁。埃伦费斯特于1933925日饮弹自盡,他的死震动了物理界。

 

波爱两人的第一次交锋是1927年的第五届索尔维会议那可能算是一场前无古人后无来者的物理学界群英会。以下这张1927年的会议历史照片中,列出来的鼎鼎大名使你不能不吃惊。在这次与会的29人中,有17人获得了诺贝尔物理学奖。

 

 

照片来自网络

 

索尔维是一位对科学感兴趣的实业家,因发明了一种制碱法而致富。据说索尔维财大气粗后自信心倍增,发明了一种与物理实验和理论都扯不上关系的,有关引力和物质的荒谬理论。尽管物理学家们对他的理论不屑一顾,但对他所举办的學術会議却是趨之若鶩。因此,当年那几届索尔维会议就变成了量子论的大型研讨会,也就是波爱之争的重要战场。

 

 

波爱之争有三个回合值得一提:分別起始於1927年,1930年,1933年的索尔维会议上。

 

爱因斯坦对量子论的质疑要点有三个方面,也就是爱因斯坦始終堅持的經典哲學思想和因果觀念:一個完備的物理理論應該具有确定性,实在性,和局域性。

 

爱因斯坦認為,量子論中的海森堡原理違背了确定性。根据海森堡的测不准原理,一對共軛變量(比如:動量和位置,能量和時間)是不能同時準確測量的:当准确测定一个粒子在此刻的速度时,就无法测准其在此刻的位置。或者是,当准确测定一个粒子的能量时,就无法测准此刻的時間。因此他說:“上帝不掷骰子!”

 

這兒所謂的“上帝掷骰子”,不同于人掷骰子。當今的科學技術領域中,統計和概率是常用的數學工具。人们应用统计方法來預測氣候的變化,股市的走向,物種的繁衍,人心的向背。幾乎在各門學科中,都離不開‘概率’這個詞。然而,我們在這些情況下應用概率的规律,是由於我們掌握的信息不夠,或者是沒有必要知道那麼多。比如說,当人向上丢出一枚硬币,再用手接住时,硬币的朝向似乎是随机的,可能朝上,可能朝下。但这种随机性是因為硬币運動不易控制,從而使我們不了解硬币从手中飞出去時的詳細信息。如果我們對硬币飞出時的受力情況知道得一清二楚,就完全可以預知它掉下來時的方向,因為硬币实际上遵从的是完全确定的宏觀力学规律。而量子論不同於此,量子論中的隨機性是本質的。換句話說:人掷骰子,是外表的或然;上帝掷骰子,是本質的或然。

 

所謂实在性,則類似於我們熟知的唯物主義,認為物質世界的存在不依賴於观察手段。月亮實實在在的掛在天上,不管我們看它,還是不看它。局域性的意思則是說:在互相遠離的兩個地點,不可能有瞬時的超距作用。

 

192710月,那是布鲁塞尔鲜花盛开,紅葉飄零的季节,著名的第五届索尔维会议在此召开。如上面照片所示,这次会议群贤毕至,濟濟一堂。我们似乎从这张老照片众多闪光的名字中,看到了量子论两大派别各路英雄一个个生动的形象:每个人都身怀特技,带着自己的独门法宝,斗志昂扬、精神抖擞,應邀而來。

 

玻尔高举着他的“氢原子模型”,玻恩口口声声念叨着“概率”,德布罗意骑着他的“波”,康普顿西装上印着“效应”二字,狄拉克夹着一个“算符”,薛定谔挎着他的“方程”,身后还藏了一只不死不活的“猫”,布拉格手提“晶体結構”模型,海森堡和他的同窗好友泡利形影不離,兩人分別握著“测不准原理”和“不相容原理”,埃伦费斯特也緊握他的“浸渐原理”大招牌。

 

最后登场的爱因斯坦,當時四十多歲,還沒有修成像後來那種一頭白髮亂飄的仙風道骨形象。不過,他舉著劃時代的兩面相對論大旗,頭頂光電效應的光環。因此,他洋洋洒洒跨辈份地坐到了第一排老一辈無產階級革命家的中间。那兒有一位德高望重的白发老太太,镭和仆的發現者居里夫人。另外,我們還看到了好些別的大師們的豐功偉績:洛伦兹的“变换”、普朗克的“常數”、郎之万的“原子论”、威尔逊的“云雾室”,等等等等。

 

儘管人人都身懷絕技,各自都有不同的獨門功夫,但大家心中都藏了一個量子妖精-由他們共同哺育餵大的孫悟空。這孫悟空到底是人還是猴?是鬼還是妖?是真还是假?諸位大師們對此莫衷一是,眾說紛紜。

 

兩派人馬旗鼓相當:波爾的哥本哈根學派人數多一些,但愛因斯坦这边有薛定諤和德布羅意,三個重量級人物,不可小覷。

 

最後,就正式會議來說,這量子論一次異常成功的大会,波爾掌門的哥本哈根派和它对量子论的解释大获全胜。闭幕式上,爱因斯坦一直在旁邊按兵不動,沉默静坐,直到玻尔结束关于互补原理的演讲后,他才突然发动攻势:很抱歉,我没有深入研究过量子力学,不过我还是愿意談談一般性的看法。然后,爱因斯坦用一个关于α射线粒子的例子表示了对玻尔等学者发言的质疑,不过當時的发言相当温和。但是,在正式会议结束之后幾天的讨论中,火藥味就要濃多了。根据海森堡的回忆,常常是在早餐的时候,爱因斯坦设想出一个巧妙的思想实验,以为可以难倒玻尔,但到了晚餐桌上,玻尔就想出了招数,一次又一次化解爱因斯坦的攻势。當然,到最后,谁也没有说服谁。


1930
年秋,第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验—“光子盒

 

实验的装置是一个一侧有一个小洞的盒子,洞口有一块挡板,里面放了一只能控制挡板开关的机械钟。小盒里装有一定数量的辐射物质。这只钟能在某一时刻将小洞打开,放出一个光子来。这样,它跑出的时间就可精确地测量出来了。同时,小盒悬挂在弹簧秤上,小盒所减少的质量,也即光子的质量便可测得,然后利用质能关系Emc2便可得到能量的损失。这样,时间和能量都同时测准了,由此可以说明测不准关系是不成立的,玻尔一派的观点是不对的。

描述完了他的光子盒實驗後,愛因斯坦看著啞口無言、搔头抓耳的玻尔,心中暗暗得意不想好夢不長经过了一个夜晚,第二天,波爾居然‘以其人之道,還治其人之身’,找到了一段最精彩的說辭,用爱因斯坦自己廣義相对论理論,戏剧性地指出了爱因斯坦这一思想实验的缺陷

 

光子跑出,挂在弹簧秤上的小盒质量变轻即会上移,根据广义相对论,如果时钟沿重力方向发生位移,它的快慢会发生变化,这样的话,那个小盒上机械钟读出的时间就会因为这个光子的跑出而有所改变。换言之,用这种装置,如果要测定光子能量,就不能够精確控制光子逸出的时刻。因此,波爾居然用廣義相对论理論中的紅移公式,推出了能量和時間遵循的测不准关系!

无论如何,儘管爱因斯坦當時被回击得目瞪口呆,卻仍然没有被说服。不過,他自此後,不得不有所退讓,承认了玻尔对量子力学的解释不存在逻辑上的缺陷。“量子論也許是自洽的”他說,“但卻至少是不完備的”因為他認為,一個完備的物理理論應該具有确定性,实在性,和局域性!

 

玻尔雖然機敏地用廣義相對論的理論回击了爱因斯坦光子盒模型的挑战,自己心中卻仍然不是十分踏實,自覺辯論中有些投機取巧的嫌疑!从经典的广义相对论出发,是应该不可能得到量子力学测不准原理的,这其中許多疑問仍然有待澄清。況且,誰知道這個愛因斯坦下一次又會想出些什麼新花招呢?玻尔口中不停地念著:“愛因斯坦,愛因斯坦……愛因斯坦,愛因斯坦……”心中无比感慨。玻尔對這第二個回合的論戰始終耿耿於懷,直到1962年去世。据说,他的工作室黑板上还一直留着当年爱因斯坦那个光子盒的图。

 

波愛之爭的第三個回合,就到了1935年,这场论战达到了它的顶峰。這就是我們下一篇要講到的EPR佯謬,它將引領我們進入此系列文章的主題:量子糾纏。

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参考资料:

“The Strange Story of the Quantum” by Banesh Hoffmann

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