人类科学史上最伟大的巅峰对决

wxsunhao

人类科学史上最伟大的巅峰对决

& _/ R/ |3 e6 {2 f: A' U1 ^
# w! B! G" U& F                     
爱因斯坦与玻尔，一位头戴世纪最伟大科学家桂冠，是学者中的学者；另一位是哥本哈根学派的掌门人，同样是一代宗师。在他们的身后，是上世纪最重要的两大物 理学理论———相对论和量子力学。他们的这场论战，一波三折，旷日持久，影响波及，几乎所有当时在世的理论物理学家都被卷入其中。在人类科学史上，曾经发生过许多次重大的学术论战，但论及双方的地位、论战的深入和影响，只有这一次才最有资格被称为巅峰对决。
. C" D( w/ E+ P+ H7 x
/ ^) ~% [2 t6 M   在科学史上有一场非常特殊的争论，这场争论发生在爱因斯坦和玻尔之间。这场争论有三大特点。第一，爱玻之争旷日持久，从 1926 年到 1955 年爱因斯坦去世为止整整 30 年。第二，这场争论以“理想实验”定胜负，这在科学史上是绝无仅有的。以往的争论都是以观察到的事实或实验的结果为依据，进行逻辑思维，从而得出正确的结论；而这场争论却是围绕着不能实地去做的“理想实验”展开的。第三，这场争论的性质和胜负至今没有完全定论。
     让我们把时空拉回到在1927年深秋举行的第五次索尔维会议上。出席这次会议的共有32位，他们中很多都是诺贝尔奖金的获得者，包括洛伦兹，普朗克，居里夫人，爱因斯坦，玻尔，玻恩，德布罗意，薛定谔，索末菲，德拜，海森堡，泡利，狄拉克等等。从二十岁到七十岁的都有，几乎囊括了那个伟大时代的几乎全部物理界的精英。 还是在第一次索尔维会议上，洛仑兹就吹响了向微观世界进军的号角。十六年过去了，洛仑兹在有生之年看到新力学诞生的愿望达到了，但是老人出人意料地非常不满意： "在我看来，电子仅仅是个粒子，它在确定的时间，一定处在一个确定的位置，如果有人企图用可笑的几率观点来解释它，那是绝对错误的。" 出席会议的学者中和老洛仑兹持同一观点的人实是大有人在。他们不停地鼓掌。 老人越说越激动， "我再也不会相信，现在所谓的科学还会与客观事实相符合。我也不知道我为什么还活着，我只遗憾自己没在五年之前死去，那时这些讨厌的东西至少还没在我眼前出现。" 老人在为经典物理作最后几乎悲壮的辩护。
      玻尔沉默不语，他只瞥了一眼坐在左边的爱因斯坦。这时的爱因斯坦早已威名赫赫，但他也是一言不发，只是不停地摆弄着手中的大烟斗。 一直令玻尔惴惴不安的便是此君。在此以前他曾经几次征询过爱因斯坦对量子力学的看法。即便驽钝如玻尔很快也明白爱因斯坦是这种新兴力学最大的敌人，他曾几次在公开场合幽默地宣称：上帝是不掷骰子的。爱因斯坦是笃信上帝一定会给出确定性的解，而不会含糊其词的。 更令玻尔不安的是海森堡和泡利两员大将都还没到。他们出发已经足一个礼拜了呀。 正迟疑间，忽见一高一胖的两个人影从侧门悄悄晃了过来。不用说就是他们两个了。但是一见面玻尔还是吓了一跳，两人俱皆蓬头垢面，胡子也象很久没有刮过了。 原来这二人在转车住旅馆时争论地忘了形，被小偷光顾，结果连手上的行李到随身的车票和剃须刀都没保住。两人狼狈之极，偏偏在附近又没有认识的朋友，在火车站辗转流浪了几天总算赶到了这里。 他们刚坐定，正式的大辩论就开始了。所有的人都想站起来发言，现场的情形用混乱不堪来形容是远远不够的。在遥远的菲律宾群岛上，有80种不同的语言，有时你跨过田埂就仿佛置身异地，有的语言一共也就十几个人会讲，1927年的量子力学就是这个情形。
) `# S7 w5 y* P; K' b" m" Q      这场辩论从会场一直持续到咖啡馆里。不管是店主还是服务员都惊讶地看着这群人或者高声争辩，或者用手蘸着咖啡在桌子上画着些奇怪的符号。 更有一位教授顺手掏出钢笔就在桌布上演算起来，昏暗的灯光下居然将偌大的桌布写得密密麻麻，但尽管如此仍未说服他的对手。最后他只得徒然地直起腰，转眼瞥见店主望着桌布痛惜的神情，走过去拍拍肩膀安慰道，老兄，留着这块桌布吧，这可是有很大的纪念意义呢！
      当地的新闻记者们也都不明白这些人聚在这里为什么，公园球场里的冠军杯足球赛，各大剧院上演的最新歌剧，更多地吸引了他们的目光。可是在报告厅里的每一个人，都抑制不住心头的狂喜，一个全新的量子时代就要到来了。
      会议的气氛从一开始便是火热的，像拳王争霸赛一样，重头戏到来之前先有一系列的垫赛：大家先就康普顿的实验做了探讨，然后各人分成了泾渭分明的阵营，互相炮轰。德布罗意一马当先做了发言，他试图把粒子融合到波的图像里去，提出了一种“导波”（pivot wave）的理论，认为粒子是波动方程的一个奇点，它必须受波的控制和引导。泡利站起来狠狠地批评这个理论，他首先不能容忍历史车轮倒转，回到一种传统图像中，然后他引了一系列实验结果来反驳德布罗意。众所周知，泡利是世界第一狙击手，谁要是被他盯上了多半是没有好下场的，德布罗意最后不得不公开声明放弃他的观点。幸好薛定谔大举来援，不过他还是坚持一个非常传统的解释，这连盟军德布罗意也觉得不大满意，泡利早就嘲笑薛定谔为“幼稚”。波恩和海森堡躲在哥本哈根掩体后面对其开火，他们在报告最后说：“我们主张，量子力学是一种完备的理论，它的基本物理假说和数学假设是不能进一步修改的。”他们也集中火力猛烈攻击了薛定谔的“电子云”，后者认为电子的确在空间中实际地如波般扩散开去。海森堡评论说：“我从薛定谔的计算中看不到任何东西可以证明事实如同他所希望的那样。”薛定谔承认他的计算确实还不太令人满意，不过他依然坚持，谈论电子的轨道是“胡扯”（应该是波本征态的叠加），波恩回敬道：“不，一点都不是胡扯。”在一片硝烟中，会议的组织者，老资格的洛伦兹也发表了一些保守的观点，and so on and so on……
" g, I6 L1 {4 Z- L( a: M      第二天的情势仍然没有好转，大家都企图让对方接受自己的语言，玻尔的口拙舌笨是出不上力的，但是泡利的铁嘴钢牙倒是派上了用场。洛仑兹用力拍着桌子，竭力使会场的气氛冷静下来，但是没有效果，后来艾伦费斯特--他是玻尔和爱因斯坦的好友，干脆跑到讲台上，写下几个大字：上帝真的使人们的语言混乱了！ 台下的人先是一阵惊愕，然后都会意地笑了起来，这是圣经上的一段典故：从前所有的人都是说一种语言的，后来这群人迁徙到东方的一片草原上来，决定修建高耸入云的巴比伦塔。上帝看到这个情形大为恐慌，看来如果人只要齐心协力，世界上没什么事情难得倒他们了。于是上帝把人分散到各个角落，并说种种不同的语言。 不过上帝的阴谋这次并未得逞，经艾伦费斯特这一闹，大家的秩序反倒好多了，你推我让地轮流上台讲。 轮到玻尔时，他小心翼翼地开了头："在最近几年里，我们都在一个全新的领域里进行探索，只有依靠自己精细的判断，才能避免落入遍布四周的陷阱里，首先，在这里我们应该感谢那些为我们奠定基础和提供工具的前人们。"
              然后他竭力用优美的语言表述了自己对量子力学基本原理的一些看法。玻尔一边说着，一边细心观察底下人们的表情。大部分人对这种崭新的处理方法很感兴趣，连爱因斯坦也不时地点点头。 但当玻尔讲到关键的几率解释时，观众的表情开始变的不以为然，爱因斯坦也是眉头紧锁，手里的烟斗也放在了一边。
, D# @0 t+ i5 Z4 f       到散会时，玻尔紧走几步跟上爱因斯坦，小声地问道他对量子力学的几率解释的看法。爱因斯坦稳稳地站定，摘下口中的烟斗，正色道："对不起，玻尔先生，请恕我难以苟同。"
              玻尔的脸色立时难看了起来，急忙补充道："爱因斯坦先生，希望您再好好考虑一下。"
! c# g* U" V" R' W' M* ~; z4 T               "我会的。"爱因斯坦点头示了下意，然后扭身就走了。
       爱因斯坦果然认真考虑了这个问题，就在随后的讨论会上他就开始向玻尔发难。
: X/ v3 L; B& n! u        　     他提出了一个模型：一个电子通过一个小孔得到衍射图像。爱因斯坦指出，目前存在着两种观点，第一是说这里没有“一个电子”，只有“一团电子云”，它是一个空间中的实在，为德布罗意—薛定谔波所描述。第二是说的确有一个电子，而ψ是它的“几率分布”，电子本身不扩散到空中，而是它的几率波。爱因斯坦承认，观点II是比观点I更加完备的，因为它整个包含了观点I。尽管如此，爱因斯坦仍然说，他不得不反对观点II。因为这种随机性表明，同一个过程会产生许多不同的结果，而且这样一来，感应屏上的许多区域就要同时对电子的观测作出反应，这似乎暗示了一种超距作用，从而违背相对论。
        　　  风云变幻，龙虎交济，现在两大阵营的幕后主将终于都走到台前，开始进行一场决定命运的单挑。可惜的是，玻尔等人的原始讨论记录没有官方资料保存下来，对当时情景的重建主要依靠几位当事人的回忆。这其中有玻尔本人1949年为庆祝爱因斯坦70岁生日而应邀撰写的《就原子物理学中的认识论问题与爱因斯坦进行的商榷》长文，有海森堡、德布罗意和埃仑菲斯特的回忆和信件等等。当时那一场激战，讨论的问题中有我们已经描述过的那个电子在双缝前的困境：如何选择它的路径以及快速地关闭/ 打开一条狭缝对电子产生的影响。还有许许多多别的思维实验。埃仑费斯特在写给他那些留守在莱登的弟子们(乌仑贝特和古德施密特等)的信中描述说：爱因斯坦像一个弹簧玩偶，每天早上都带着新的主意从盒子里弹出来，而玻尔则从云雾缭绕的哲学中找到工具，把对方所有的论据都一一碾碎。
- k( G7 E  O+ U/ }        　　海森堡1967年的回忆则说：
        　　“讨论很快就变成了一场爱因斯坦和玻尔之间的决斗：当时的原子理论在多大程度上可以看成是讨论了几十年的那些困难的最终答案呢？我们一般在旅馆用早餐时就见面了，于是爱因斯坦就描绘一个思维实验，他认为从中可以清楚地看出哥本哈根解释的内部矛盾。然后爱因斯坦，玻尔和我便一起走去会场，我就可以现场聆听这两个哲学态度迥异的人的讨论，我自己也常常在数学表达结构方面插几句话。在会议中间，尤其是会间休息的时候，我们这些年轻人——大多数是我和泡利——就试着分析爱因斯坦的实验，而在吃午饭的时候讨论又在玻尔和别的来自哥本哈根的人之间进行。一般来说玻尔在傍晚的时候就对这些理想实验完全心中有数了，他会在晚餐时把它们分析给爱因斯坦听。爱因斯坦对这些分析提不出反驳，但在心里他是不服气的。”
　　爱因斯坦当然是不服气的，他如此虔诚地信仰因果律，以致决不能相信哥本哈根那种愤世嫉俗的概率解释。玻尔回忆说，爱因斯坦有一次嘲弄般地问他，难道他真的相信上帝的力量要依靠掷骰子(ob der liebe Gott würfelt)？
; r/ s* X7 T2 K3 k8 U$ S    花开花落，黄叶飘零，又是秋风季节。1930年，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开了。玻尔来到会场时心中惴惴不安，看爱因斯坦表情似笑非笑，吃不准他三年间练成了什么新招，不知到了一个什么境界。不过玻尔倒也不是太过担心，量子论的兴起已经是板上钉钉的事实，现在整个体系早就站稳脚跟，枝繁叶茂地生长起来。爱因斯坦再厉害，凭一人之力也难以撼动它的根基。玻尔当年的弟子们，海森伯、泡利等，如今也都是独当一面的大宗师了，哥本哈根学派名震整个物理界，玻尔自信吃不了大亏。
- `" {% }+ I; e1 K3 ]4 ^- R: W        　　爱因斯坦则在盘算另一件事：量子论方兴未艾，要打败它的确太难了。可是难道因果律和经典理论就这么完了不成？不可能，量子论一定是错的！嗯，想来想去，要破量子论，只有釜底抽薪，击溃它的基础才行。爱因斯坦凭着和玻尔交手的经验知道，在细节问题上是争不出个什么所以然的，量子论就像神话中那个九头怪蛇海德拉(Hydra)，你砍掉它一个头马上会再生一个出来。必须得瞄准最关键的那一个头才行，这个头就是其精髓所在：不确定原理！
        　　爱因斯坦为了这次会议带来了一颗重磅炸弹：他精心设计了一个光子箱的思想实验来反驳玻尔和他的弟子们的观点：一个理想的内有若干光子的箱子，上面开一个小孔，并用一个快门来控制小孔的开闭，控制小孔的开闭频率，使得箱子开启的时间△t足够小（这个△t虽然小，却因为是可控制的，因而也是可确定的），可以使得在△t内从箱子内只能逸出一个光子。逸出的光子的质量m可以用放置箱子的一架理想天平精确地通过测量光子逸出前后箱子的质量差△m测出，即m＝△m，根据相对论的质能方程E＝mc2，可以精确地算出逸出光子的能量△E。那么，△E和△t都很确定，海森堡的公式 △E·△t≥h/4π也就不成立。所以整个量子论是错误的！
& X! m9 ?0 J5 c- _; }; t0 @& J        　　这可以说是爱因斯坦凝聚了毕生功夫的一击，其中还包含了他的成名绝技相对论。爱因斯坦的精妙设计让玻尔目瞪口呆。罗森菲尔德回忆道：“这对波尔是一次不小的震动．．．他没能立即找到答案，整个晚上他极度忧伤，一个又一个地想说服别人那不可能是真的，因为假如爱因斯坦是对的，那物理学就完蛋了。我将永远不会忘记两个冤家对头离开〔学术基金会〕俱乐部的情形：爱因斯坦，一个高大的形象，平静地走着，带着些许讽刺的微笑，而玻尔灰溜溜的走在他的附近．．．第二天上午就迎来了玻尔的胜利。”
" v* h; \  m' m$ Y

　　玻尔苦思一夜得出的结论，居然是爱因斯坦在设计这个实验的时候忘记了这样一个重要的因素：根据爱因斯坦的广义相对论，引力场会产生红移效应，物质处于引力场中会产生与狭义相对论类似的时钟变慢现象，当改变箱子的质量时（其实也就是改变引力场的质量时），时间的长度会发生改变，这时△t就不再能测准了。
, A' J' c. K& e6 h9 R        　　爱因斯坦被自己的理论打败了，他哑口无言，但并不认输。用玻尔的话说：“他被打败了，但并没有服输”。这一次会议之后，爱因斯坦和玻尔之间面对面的论战算是告一段落了。爱因斯坦没有出席1933年的第7次索尔维会议，他已经在纳粹的疯狂迫害下被迫流亡美国。
; r- M" C& u! F        　　1935年，爱因斯坦（A. Einstein）和他的合作者波多尔斯基（B. Podolsky）、罗森（N. Rosen）联手抛出了一份题为《量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的论文，其中设计了一个粒子衰变为两个粒子的判决实验，以责难的口吻表达他们对量子力学的哥本哈根解释的不满：假定一个自旋为0的大粒子衰变成A和B两个小粒子，那么在两个粒子通过观测仪器之前，按照哥本哈根解释，它们的状态是不确 定的，但显然，为了维持总自旋的守恒，B粒子的状态时时刻刻总是由A粒子确定的（它只能与A粒子的自旋相反而不能相同，否则自旋就不能守恒），这显然是与 哥本哈根解释及测不准原理相矛盾的，因此可见量子力学的解释是不完备的。后来他们提出的这一问题被物理学家以三人姓氏的首字母合称为EPR佯谬。玻尔不久以后就给出了自己的回答。迄今为止，围绕EPR佯谬所作的精密的实验结果全部支持量子力学的哥本哈根解释，但并没有解决量子力学本身存在的问题。量子力学依然处于令人尴尬的境地，一如著名理论物理学家理查德·费曼所说的那样：“我确信没有人能懂得量子力学”。
        　　玻尔一直到死，也未能使爱因斯坦信服，认为量子论的解释是完备的。在他1962年去世后的第二天，人们在他的黑板上仍然发现画有当年爱因斯坦光箱实验的草图。两位科学巨人都为各自的信念而奋斗了毕生。
        　　需要指出的是，虽然爱因斯坦和玻尔之间在对于量子力学的哲学意义的认识上存在着激烈的争执，但这丝毫不影响两人之间的友谊。爱因斯坦喜欢比他小6岁的玻尔，他喜欢玻尔的直率和执拗；而玻尔也十分尊敬爱因斯坦，他在思考问题时总是会想：这个问题爱因斯坦会怎么看？这两位二十世纪物理学的巨人终生保持着友好的关系，玻尔流亡美国期间曾不止一次去看望爱因斯坦。
[来源：学科网]


6 o' J' \- e9 n7 ^+ q
6 o* X4 \9 v" i2 I