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“索尔维”论剑——爱因斯坦和波尔的交锋

科普小知识2022-07-13 21:21:26
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1924年至1925年间,海森堡和薛定谔最终独立建立了量子力学,m·玻恩给出了波函数的概率解释。这个美丽的等式在形式上看起来如此完美,以至于一切似乎都很好。然而,物理学家没有想到的是,量子力学宏伟建筑的正式竣工不仅没有平息人们的困惑,还引发了一场更大的风暴。

围绕着量子力学的解释,物理学家之间存在着激烈的争论,旷日持久的争论导致了物理学家的分裂。爱因斯坦,20世纪物理学革命的伟大旗手和量子理论的先驱,现在却站在了它的对立面,公开反对哥本哈根那帮人对概率的解释,这让玻尔感到有些不舒服。随着双方的几轮对抗,越来越多的物理学家转向玻尔的阵营,哥本哈根解释立即被视为“量子力学的正统观点”。爱因斯坦只剩下两个同情者和支持者,德洛贝·易和薛定谔。越来越多的物理学家开始对爱因斯坦的“离开”表示不满(甚至有些人认为这是对新物理学的“背叛”),因为每个人都深信:一个开明甚至激进的爱因斯坦怎么能成为新物理学的绊脚石呢?就连爱因斯坦的密友艾伦·费斯特也在爱因斯坦面前直言不讳地抱怨道:“爱因斯坦,我真为你感到羞耻!我不敢相信你扮演了反对相对论的角色!”然而,爱因斯坦只听从他内心的声音,现在这个声音告诉他这不是真的。结果就这样注定了:爱因斯坦与其他人分道扬镳,逐渐疏远,在他近乎隐居的余生中,独自探索无法到达的统一场论;物理学失去了它伟大的旗手。对每个人来说,这简直是一场悲剧。博恩用悲伤的语气说道:“我们失去了我们的领袖。”爱因斯坦传记的作者、下一代物理学家派斯以革命性的讽刺口吻说:1925年后,即使爱因斯坦以捕鱼为生,物理学也不会有损失。

爱因斯坦是一位坚定的因果关系理论家。他不相信哥本哈根学派对客观现实可能性的解释。他毫不怀疑哥本哈根学派出于某种实用目的使用了“概率”的概念来解释量子力学(他曾直言不讳地称之为“玻尔的绥靖政策哲学”),并不止一次地表达了他不相信“上帝在掷骰子”的观点。早在1926年,在一封给波恩的信中,他说:“量子力学令人印象深刻,但内心的声音告诉我这不是真的。这个理论产生了许多好的结果,但它并没有使我们更接近“老人”的神秘。我毫无保留地相信“老人”不玩骰子(“老人”是爱因斯坦对上帝的昵称。)

相比之下,玻尔本人似乎更像是一个深不可测的“不可知论者”(他绝对不是这样的人)。他似乎不喜欢简单明了地表达自己的观点。他反对用一两个简单的概念或观点来阐述问题,因为它是片面和不完整的,并且不符合“互补”的观点(爱因斯坦对问题的阐述相比之下要简单得多)。就我个人而言,我更倾向于认为玻尔对云山雾罩的态度有效地增加了量子力学的不可理解性。这很像老子说的“道可以是道,不是道”。名字的样式可以是名字,非常名)。

在1925年的第五届索尔维会议上,爱因斯坦和玻尔发生了激烈的对抗。爱因斯坦通常思维敏捷,他很快将一个接一个的思维实验扔在早餐桌上,以此来推翻哥本哈根的解释,而玻尔则严肃地接过来,仔细地检查它。晚上,这个问题通常可以解决,玻尔赢了,所以爱因斯坦在夜深人静的时候炮制了他的下一轮炮弹。

在1930年的第六届索尔维会议上,爱因斯坦带来了一个惊人的消息:他精心设计了一个光子盒的思想实验来反驳玻尔和他的弟子们的观点:一个有几个光子的理想盒子,里面有一个小孔,还有一个快门来控制小孔的打开和关闭,并控制小孔的打开和关闭频率,这样盒子的打开时间△t就足够小了(虽然很小, 这个△ t是可控的,因此也是确定的),因此在△t内只有一个光子可以从盒子中逃逸。逃逸光子的质量m可以通过测量光子逃逸之前和之后盒子的质量差△m来精确测量,在盒子上放置一个理想的天平,即m = △ m。根据相对论质量-能量方程e = mc2,可以精确计算逃逸光子的能量△E。 那么△E和△t都是非常确定的,海森堡公式△ E △ T ≥ H/4π不成立。所以整个量子理论是错误的!

玻尔被爱因斯坦精巧的设计惊呆了。罗森菲尔德回忆道:“这对玻尔来说是一个巨大的打击...他无法立即找到答案。他整晚都非常悲伤,试图让其他人一个接一个相信这不可能是真的,因为如果爱因斯坦是对的,那就意味着物理学的终结。我永远不会忘记两个死对头是如何离开[学术基金会]俱乐部的:身材高大的爱因斯坦带着一点讽刺的微笑平静地走着,而玻尔沮丧地走在他身边...第二天早上,波尔赢了。”

玻尔苦思了一夜,得出结论:爱因斯坦在设计实验时忘记了一个如此重要的因素:根据爱因斯坦的广义相对论,引力场会产生红移效应,引力场中的物质会产生类似狭义相对论的时钟减慢现象。当盒子的质量改变时(事实上,当引力场的质量改变时),时间的长度也会改变,那么△t就不能再精确地测量了。

爱因斯坦被他的理论打败了。他无言以对,但他没有放弃。用玻尔的话说:“他被打败了,但他不同意”。这次会议之后,爱因斯坦和玻尔之间的面对面辩论结束了。爱因斯坦没有参加1933年的第七届索尔维会议。在纳粹的迫害下,他*流亡美国。

1935年,爱因斯坦、他的合作者波多尔斯基和罗森联合出版了一本书,书名是《量子力学中物理实在的描述完整吗?,其中设计了一个判断实验,用于将一个粒子衰变为两个粒子,以责备的口吻表达了他们对量子力学哥本哈根解释的不满:假设自旋为0的大粒子衰变为两个小粒子a和b,在两个粒子通过观测仪器之前,根据哥本哈根解释,它们的状态是不确定的,但显然,为了保持总自旋守恒, 粒子B的状态总是由粒子A决定的(它只能与粒子A的自旋相反,但不能相同,否则自旋不能守恒)。 这显然与哥本哈根解释和测不准原理相矛盾,因此可以看出量子力学的解释是不完整的。后来,他们提出的问题被物理学家称为EPR悖论,名字的首字母是三个姓氏。波尔很快给出了自己的答案。迄今为止,围绕EPR佯谬的精确实验结果都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。量子力学仍然处于尴尬的境地,正如著名的理论物理学家理查德·费曼所说:“我确信没有人能理解量子力学”。

直到爱因斯坦去世,玻尔才使他相信量子理论的解释是完整的。1962年他去世后的第二天,人们仍然在他的黑板上发现了爱因斯坦灯箱实验的草图。这两个科学巨人都为自己的信仰奋斗了一生。

应该指出的是,尽管爱因斯坦和玻尔在理解量子力学的哲学意义上有激烈的争论,但这丝毫不影响他们之间的友谊。爱因斯坦喜欢比他小6岁的玻尔。他喜欢玻尔的直率和固执。玻尔也非常尊重爱因斯坦。当他思考这个问题时,他总是想:爱因斯坦会怎么看待这个问题?20世纪物理学的两大巨头一生都保持着友好的关系。玻尔在爱因斯坦流亡美国期间不止一次拜访他。