走近量子糾纏-4-波爾和愛因斯坦之爭

Triumph 2012-02-26

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走近量子糾纏-4-波爾和愛因斯坦之爭精選

已有 2887 次閱讀 2012-2-7 06:45 |系統(tǒng)分類:科普集錦

現(xiàn)在，讓我們再回到波爾和愛因斯坦有關(guān)量子理論的爭論-以下簡稱為‘波愛之爭’。

兩人都是偉大的物理學(xué)家，對量子理論的發(fā)展都做出了杰出的貢獻。分別因為解決光電效應(yīng)問題和量子化原子模型而獲得1921年、1922年的諾貝爾物理學(xué)獎。愛因斯坦和波爾的爭論主要是有關(guān)量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)及哲學(xué)思想方面。實際上，也正因為這兩位大師的不斷論戰(zhàn)，量子力學(xué)才在辯論中發(fā)展成熟起來。愛因斯坦終身反對量子論，他提出了一個又一個的思想實驗，企圖證明量子論的不完備性和荒謬性，直到他們逝世之后，這場論戰(zhàn)仍在物理學(xué)界繼續(xù)進行。但遺憾的是，直到目前為止，每次的實驗結(jié)果似乎并沒有站在愛因斯坦這位偉人這邊。

這場有關(guān)量子論的大論戰(zhàn)攪得它的創(chuàng)立者們夜不能寐、寢食難安，當年在世的物理學(xué)家?guī)缀跞急粻砍镀渲小W(xué)術(shù)界的紛爭能促進學(xué)術(shù)的進步，但也能損害學(xué)者們的生理和心理健康，甚至還有物理學(xué)家因此而自殺的。

1909年，著名的奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼在意大利度假的旅店里上吊自殺。玻爾茲曼性格孤僻內(nèi)向，沉浸在他的“原子論”與奧斯特瓦爾德的“唯能論”不同見解的斗爭中。這場論戰(zhàn)與量子論之爭拉不上多少關(guān)系，并且以玻爾茲曼的取勝而告終。但是，長長的辯論過程使玻爾茲曼精神煩躁，不能自拔，痛苦與日俱增，最后只能用自殺來解脫心中的一切煩惱。玻耳茲曼的死使學(xué)者們震驚，也在一定程度上影響了荷蘭物理學(xué)家埃倫費斯特（Paul Ehrenfest，1880—1933）。后者曾經(jīng)師從玻耳茲曼，是愛因斯坦的好友，其“浸漸假說”與波爾的對應(yīng)原理，是在經(jīng)典物理學(xué)和量子力學(xué)之間架起的兩座橋梁。埃倫費斯特于1933年9月25日飲彈自盡，他的死震動了物理界。

波愛兩人的第一次交鋒是1927年的第五屆索爾維會議。那可能算是一場前無古人后無來者的物理學(xué)界群英會。以下這張1927年的會議歷史照片中，列出來的鼎鼎大名使你不能不吃驚。在這次與會的29人中，有17人獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

照片來自網(wǎng)絡(luò)

索爾維是一位對科學(xué)感興趣的實業(yè)家，因發(fā)明了一種制堿法而致富。據(jù)說索爾維財大氣粗后自信心倍增，發(fā)明了一種與物理實驗和理論都扯不上關(guān)系的，有關(guān)引力和物質(zhì)的荒謬理論。盡管物理學(xué)家們對他的理論不屑一顧，但對他所舉辦的學(xué)術(shù)會議卻是趨之若鶩。因此，當年那幾屆索爾維會議就變成了量子論的大型研討會，也就是波愛之爭的重要戰(zhàn)場。

波愛之爭有三個回合值得一提：分別起始於1927年，1930年，1933年的索爾維會議上。

愛因斯坦對量子論的質(zhì)疑要點有三個方面，也就是愛因斯坦始終堅持的經(jīng)典哲學(xué)思想和因果觀念：一個完備的物理理論應(yīng)該具有確定性，實在性，和局域性。

愛因斯坦認為，量子論中的海森堡原理違背了確定性。根據(jù)海森堡的測不準原理，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：當準確測定一個粒子在此刻的速度時，就無法測準其在此刻的位置?；蛘呤?，當準確測定一個粒子的能量時，就無法測準此刻的時間。因此他說：“上帝不擲骰子！”

這兒所謂的“上帝擲骰子”，不同于人擲骰子。當今的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，統(tǒng)計和概率是常用的數(shù)學(xué)工具。人們應(yīng)用統(tǒng)計方法來預(yù)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(xué)科中，都離不開‘概率’這個詞。然而，我們在這些情況下應(yīng)用概率的規(guī)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，當人向上丟出一枚硬幣，再用手接住時，硬幣的朝向似乎是隨機的，可能朝上，可能朝下。但這種隨機性是因為硬幣運動不易控制，從而使我們不了解硬幣從手中飛出去時的詳細信息。如果我們對硬幣飛出時的受力情況知道得一清二楚，就完全可以預(yù)知它掉下來時的方向，因為硬幣實際上遵從的是完全確定的宏觀力學(xué)規(guī)律。而量子論不同於此，量子論中的隨機性是本質(zhì)的。換句話說：人擲骰子，是外表的或然；上帝擲骰子，是本質(zhì)的或然。

所謂實在性，則類似於我們熟知的唯物主義，認為物質(zhì)世界的存在不依賴於觀察手段。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。

1927年10月，那是布魯塞爾鮮花盛開，紅葉飄零的季節(jié)，著名的第五屆索爾維會議在此召開。如上面照片所示，這次會議群賢畢至，濟濟一堂。我們似乎從這張老照片眾多閃光的名字中，看到了量子論兩大派別各路英雄一個個生動的形象：每個人都身懷特技，帶著自己的獨門法寶，斗志昂揚、精神抖擻，應(yīng)邀而來。

玻爾高舉著他的“氫原子模型”，玻恩口口聲聲念叨著“概率”，德布羅意騎著他的“波”，康普頓西裝上印著“效應(yīng)”二字，狄拉克夾著一個“算符”，薛定諤挎著他的“方程”，身后還藏了一只不死不活的“貓”，布拉格手提“晶體結(jié)構(gòu)”模型，海森堡和他的同窗好友泡利形影不離，兩人分別握著“測不準原理”和“不相容原理”，埃倫費斯特也緊握他的“浸漸原理”大招牌。

最后登場的愛因斯坦，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(fēng)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(yīng)的光環(huán)。因此，他洋洋灑灑跨輩份地坐到了第一排老一輩無產(chǎn)階級革命家的中間。那兒有一位德高望重的白發(fā)老太太，鐳和仆的發(fā)現(xiàn)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：洛倫茲的“變換”、普朗克的“常數(shù)”、郎之萬的“原子論”、威爾遜的“云霧室”，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？是真還是假？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(xué)派人數(shù)多一些，但愛因斯坦這邊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，這是量子論一次異常成功的大會，波爾掌門的哥本哈根派和它對量子論的解釋大獲全勝。閉幕式上，愛因斯坦一直在旁邊按兵不動，沉默靜坐，直到玻爾結(jié)束了關(guān)于‘互補原理’的演講后，他才突然發(fā)動攻勢：“很抱歉，我沒有深入研究過量子力學(xué)，不過，我還是愿意談?wù)?/SPAN>一般性的看法。”然后，愛因斯坦用一個關(guān)于α射線粒子的例子表示了對玻爾等學(xué)者發(fā)言的質(zhì)疑，不過，他當時的發(fā)言相當溫和。但是，在正式會議結(jié)束之后幾天的討論中，火藥味就要濃多了。根據(jù)海森堡的回憶，常常是在早餐的時候，愛因斯坦設(shè)想出一個巧妙的思想實驗，以為可以難倒玻爾，但到了晚餐桌上，玻爾就想出了招數(shù)，一次又一次化解了愛因斯坦的攻勢。當然，到最后，誰也沒有說服誰。

1930年秋，第六屆索爾維會議在布魯塞爾召開。早有準備的愛因斯坦在會上向玻爾提出了他的著名的思想實驗—“光子盒”。

實驗的裝置是一個一側(cè)有一個小洞的盒子，洞口有一塊擋板，里面放了一只能控制擋板開關(guān)的機械鐘。小盒里裝有一定數(shù)量的輻射物質(zhì)。這只鐘能在某一時刻將小洞打開，放出一個光子來。這樣，它跑出的時間就可精確地測量出來了。同時，小盒懸掛在彈簧秤上，小盒所減少的質(zhì)量，也即光子的質(zhì)量便可測得，然后利用質(zhì)能關(guān)系E＝mc2便可得到能量的損失。這樣，時間和能量都同時測準了，由此可以說明測不準關(guān)系是不成立的，玻爾一派的觀點是不對的。

描述完了他的光子盒實驗後，愛因斯坦看著啞口無言、搔頭抓耳的玻爾，心中暗暗得意。不想好夢不長，只經(jīng)過了一個夜晚，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，用愛因斯坦自己的廣義相對論理論，戲劇性地指出了愛因斯坦這一思想實驗的缺陷。

光子跑出後，掛在彈簧秤上的小盒質(zhì)量變輕即會上移，根據(jù)廣義相對論，如果時鐘沿重力方向發(fā)生位移，它的快慢會發(fā)生變化，這樣的話，那個小盒上機械鐘讀出的時間就會因為這個光子的跑出而有所改變。換言之，用這種裝置，如果要測定光子的能量，就不能夠精確控制光子逸出的時刻。因此，波爾居然用廣義相對論理論中的紅移公式，推出了能量和時間遵循的測不準關(guān)系！

無論如何，儘管愛因斯坦當時被回擊得目瞪口呆，卻仍然沒有被說服。不過，他自此後，不得不有所退讓，承認了玻爾對量子力學(xué)的解釋不存在邏輯上的缺陷。“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(yīng)該具有確定性，實在性，和局域性！

玻爾雖然機敏地用廣義相對論的理論回擊了愛因斯坦“光子盒”模型的挑戰(zhàn)，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！從經(jīng)典的廣義相對論出發(fā)，是應(yīng)該不可能得到量子力學(xué)測不準原理的，這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？玻爾口中不停地念著：“愛因斯坦，愛因斯坦……愛因斯坦，愛因斯坦……”心中無比感慨。玻爾對這第二個回合的論戰(zhàn)始終耿耿於懷，直到1962年去世。據(jù)說，他的工作室黑板上還一直留著當年愛因斯坦那個光子盒的圖。