如果有人問我，科學(xué)歷史上最偉大的爭(zhēng)論是哪個(gè)？那么要我說就是關(guān)于量子力學(xué)的解釋之爭(zhēng)，持續(xù)百年仍在繼續(xù)。這其中，以愛因斯坦和玻爾的爭(zhēng)論最為亮眼，沒有之一。這場(chǎng)曠世爭(zhēng)論使波粒二象性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(chǎng)爭(zhēng)論也是量子力學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分，爭(zhēng)論的一個(gè)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？然而，這場(chǎng)爭(zhēng)論并沒有破壞愛因斯坦和波爾的友誼，他們相互尊重，為我們后人樹立了榜樣，值得我們學(xué)習(xí)。

愛因斯坦和玻爾

一、量子力學(xué)的非決定論解釋：哥本哈根學(xué)派的統(tǒng)計(jì)詮釋

1921年，丹麥物理學(xué)家玻爾帶領(lǐng)著一眾后輩：海森堡、泡利和玻恩等物理學(xué)家在哥本哈根創(chuàng)建了理論物理研究所，后來發(fā)展成為哥本哈根學(xué)派。海森堡的“不確定原理”和玻爾的“互補(bǔ)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，哥本哈根的概率統(tǒng)計(jì)詮釋逐漸為大多數(shù)物理學(xué)家所接受，被人們稱為量子力學(xué)的“主流”解釋。

我們可以把哥派詮釋概括為四個(gè)要點(diǎn)： 第一、可觀察量是建立理論的基礎(chǔ)和依據(jù)；第二、量子躍遷是量子力學(xué)的最基本概念；第三、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；第四、從實(shí)驗(yàn)中所觀察到微觀現(xiàn)象，只能用經(jīng)典預(yù)言做出描述。

二、堅(jiān)持物理學(xué)決定論的代表人物：愛因斯坦的觀點(diǎn)

哥派的解釋雖然成為了主流，但是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(duì)哥派的統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑。其中以愛因斯坦的觀點(diǎn)最具代表性，主要表現(xiàn)在兩方面：其一是，愛因斯坦堅(jiān)持完全的因果性，對(duì)統(tǒng)計(jì)概率持有不同意見；其二是，對(duì)觀察到的是物理實(shí)在而不是客觀實(shí)在的觀點(diǎn)持有異議。

物理學(xué)家薛定諤

三、決定論率先發(fā)難，薛定諤拉開了論戰(zhàn)的序幕

1926年9月，薛定諤應(yīng)邀到哥本哈根理論物理研究所介紹他的波動(dòng)力學(xué)。在演講結(jié)束時(shí)，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粒子的行為。即以經(jīng)典的連續(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，立即遭到哥本哈根學(xué)派的強(qiáng)烈反對(duì)。

1926年12月愛因斯坦給玻恩寫信時(shí)說：“上帝不是在擲 子”，當(dāng)玻恩問到愛因斯坦的意見時(shí)，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(gè)過程的完備理論的觀點(diǎn)。愛因斯坦的發(fā)言掀引發(fā)了他和玻爾之間就量子力學(xué)詮釋問題的公開爭(zhēng)論。

第五次索爾維會(huì)議上的物理學(xué)大佬們的合影

四、非決定論的反擊：玻爾頂在了第一位

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(huì)上，玻爾第一次提出了“互補(bǔ)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。薛定諤和勞厄不贊成玻爾的觀點(diǎn)，尤其是不同意把量子力學(xué)建立在不確定原理和概率統(tǒng)計(jì)解釋上。

1927年10月在布魯塞爾召開了第五次索爾維會(huì)議。會(huì)議主題是“電子和光子”然而卻讓量子力學(xué)搶了風(fēng)頭。在玻恩和海森堡做關(guān)于矩陣力學(xué)的報(bào)告時(shí)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(bǔ)原理”，重復(fù)了他上個(gè)月在科摩會(huì)議上的觀點(diǎn)。

電子雙縫衍射實(shí)驗(yàn)示意圖

五、唇槍舌劍：愛因斯坦火力充足、玻爾從容應(yīng)對(duì)

愛因斯坦提出了一個(gè)“單縫衍射”理想實(shí)驗(yàn)，來說明自己的觀點(diǎn)。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(gè)觀點(diǎn)進(jìn)行解釋：

第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，“同德布羅意---薛定諤波相對(duì)應(yīng)的，不是一個(gè)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(gè)粒子存在的幾率?！傲孔诱搶?duì)于任何單個(gè)過程是什么也沒有說，它只是給出關(guān)于一個(gè)相對(duì)說來無限多個(gè)基元的集合的知識(shí)”；

第二種觀點(diǎn)認(rèn)為， “量子論力圖完備的描述某些單個(gè)過程。落到S上的每個(gè)粒子，不是由位置和速度來表征，而是用一個(gè)…德布羅意---薛定諤波束來描寫的。這個(gè)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(shí)刻一個(gè)特定粒子存在于所給地方的幾率?！斑@樣，量子論是研究一個(gè)單個(gè)過程，并且力圖充分的描述全部的事實(shí)和規(guī)律性?！?/p>

物理學(xué)家 德布羅意

愛因斯坦認(rèn)為，第二種觀點(diǎn)包含了第一種觀點(diǎn)的全部結(jié)果，但相反的論斷卻不能成立，這是同相對(duì)性的假設(shè)相矛盾的。

接著他具體闡述了反對(duì)第二種觀點(diǎn)的看法：“如果認(rèn)為， |Ψ2|是簡(jiǎn)單地給出了在被觀察的膠片上的某一部分在給定的時(shí)刻某個(gè)粒子存在的幾率，那么，由此就必須得出這樣的結(jié)論：一個(gè)同一的基元過程在膠片的第二個(gè)或者更多個(gè)地方起作用。然而，認(rèn)為對(duì)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(shí)在膠片的二個(gè)部分表現(xiàn)出自己的作用的波的存在?！?/p>

玻爾經(jīng)過認(rèn)真思考，指出：不能避免在測(cè)量時(shí)儀器對(duì)電子不可控制的相互作用，即電子與狹縫邊沿的相互作用。

愛因斯坦再次提出電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。如果讓大量電子通過A、B，會(huì)在屏C上出現(xiàn)干涉條紋。若控制電子槍O，讓它一個(gè)一個(gè)的發(fā)射電子，屏C上就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)一個(gè)的亮點(diǎn)，并可測(cè)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(cè)出電子的準(zhǔn)確路徑。由干涉條紋可計(jì)算電子波的波長(zhǎng)，從而可精確確定電子的動(dòng)量。否定了測(cè)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(gè)，實(shí)驗(yàn)狀態(tài)就完全改變了，在雙縫開啟時(shí)出現(xiàn)的干涉現(xiàn)象就不再出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)的安排。這樣，玻爾把愛因斯坦用來反駁互補(bǔ)原理的理想實(shí)驗(yàn)，反而變成了用互補(bǔ)原理說明波粒二相性的例子。

光子箱思想實(shí)驗(yàn)裝置

六、愛因斯坦再出江湖把論戰(zhàn)推向高潮

1930年10月，第六屆索爾維會(huì)議上，愛因斯坦與玻爾的爭(zhēng)論達(dá)到一個(gè)高潮。量子力學(xué)的討論再次搶走了會(huì)議主題。愛因斯坦端出了一個(gè)新的理想實(shí)驗(yàn)：光子箱實(shí)驗(yàn)，試圖從能量和時(shí)間這一對(duì)共軛變量的測(cè)量來否定測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系。

一個(gè)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(jì)時(shí)裝置控制的快門。箱子下面掛一重物G，整個(gè)箱子重量可由裝在箱子外面的指針測(cè)定。在從快門打開到閉合的時(shí)間Δt里，只讓一個(gè)光子飛出；Δt可通過計(jì)時(shí)裝置精確測(cè)定；由于飛出一個(gè)光子而引起的整個(gè)箱子的質(zhì)量改變?chǔ)也可精確測(cè)定，由只能關(guān)系式即可計(jì)算出能量的變化ΔE。這樣Δt和ΔE就可同時(shí)精確測(cè)定。測(cè)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(shí)玻爾“面色蒼白，呆若木雞”。面對(duì)這一嚴(yán)重挑戰(zhàn)，玻爾經(jīng)過一個(gè)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(gè)漂亮的回答。

玻爾指出，如果光子箱的重量是用彈簧秤來測(cè)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(shí)，箱子必將沿重力方向發(fā)生運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，即使重量的測(cè)量是準(zhǔn)確的，但是由于箱子在重力場(chǎng)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(duì)論的紅移效應(yīng)而發(fā)生改變，從而使時(shí)間的測(cè)量產(chǎn)生一個(gè)不確定量。玻爾由此得出結(jié)論：用這種儀器作為精確測(cè)定光子能量的工具，將不能控制光子逸出的時(shí)間。

愛因斯坦精心設(shè)計(jì)的“光子箱”理想實(shí)驗(yàn)，不但沒有難倒玻爾，反而成了測(cè)不準(zhǔn)原理的一個(gè)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)。

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(duì)物理實(shí)在的描述是完備的嗎？》，對(duì)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(shí)在”的充分條件后認(rèn)為：對(duì)于一對(duì)共扼物理量只能是：或者認(rèn)為量子態(tài)Ψ對(duì)于實(shí)在的描述是不完備的；或者是對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)不能對(duì)易的算符的物理量不能同時(shí)具有物理的實(shí)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(gè)體系（如粒子）的某些性質(zhì)；但是一個(gè)完備性的理論應(yīng)當(dāng)能描述物理實(shí)在（包括單個(gè)體系）的每個(gè)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。

玻爾認(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?yàn)槲锢砹勘旧砭屯瑴y(cè)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(shí)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(cè)量結(jié)果的報(bào)道給我們的不是關(guān)于客體的狀態(tài)，而是關(guān)于這個(gè)客體侵沒在其中的整個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合。這個(gè)整體性特點(diǎn)，就保證了量子力學(xué)描述的完備性。

玻姆版本的epr思想實(shí)驗(yàn).

七、一場(chǎng)沒有完成的世紀(jì)爭(zhēng)論

這場(chǎng)精彩的量子力學(xué)決定論和非決定論之爭(zhēng)，被突然爆發(fā)的二戰(zhàn)給打斷了，直到1948年，愛因斯坦對(duì)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(shí)論問題和愛因斯坦進(jìn)行商榷》的長(zhǎng)篇文章，但基本都屬于各說各話的歷史追述，而不像以前那樣針鋒相對(duì)的論戰(zhàn)了。

這是一場(chǎng)真正的科學(xué)論戰(zhàn)。愛因斯坦完全承認(rèn)，統(tǒng)計(jì)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(gè)理論也是迄今為止唯一能把波粒二象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(gè)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(shí)，人們?cè)谒ぷ魇业暮诎迳习l(fā)現(xiàn)了兩張草圖，其中之一就是愛因斯坦的光子箱。

關(guān)于這場(chǎng)未有完成的爭(zhēng)論，本文就先介紹到這里，敬請(qǐng)期待下篇《決定論王者歸來：波姆的量子勢(shì)理論》