波尔和爱因斯坦之争

引言:他们都是伟大的物理学家，对量子理论的发展做出了杰出的贡献。他因分别解决光电效应问题和量子化原子模型而获得1921年和1922年诺贝尔物理学奖。爱因斯坦和玻尔之间的争论主要是关于量子力学的理论基础和哲学思想。事实上，正是因为这两位大师之间不断的争论，量子力学才在争论中发展到成熟阶段。爱因斯坦一生都反对量子理论。他提出了一个又一个的思想实验，试图证明量子理论的不完全性和荒谬性。直到他们去世，争论仍在物理领域继续。但是不幸的是，直到现在，每个实验的结果似乎都不站在爱因斯坦一边。

现在，让我们回到玻尔和爱因斯坦之间关于量子理论的争论——以下简称“爱伦坡争论”。

他们都是伟大的物理学家，为量子理论的发展做出了杰出的贡献。他因分别解决光电效应问题和量子化原子模型而获得1921年和1922年诺贝尔物理学奖。爱因斯坦和玻尔之间的争论主要是关于量子力学的理论基础和哲学思想。事实上，正是因为这两位大师之间不断的争论，量子力学才在争论中发展到成熟阶段。爱因斯坦一生都反对量子理论。他提出了一个又一个的思想实验，试图证明量子理论的不完全性和荒谬性。直到他们去世，争论仍在物理领域继续。但不幸的是，直到现在，每个实验的结果似乎都不站在爱因斯坦一边。

关于量子理论的大辩论让它的创立者们夜不能寐。几乎所有在世的物理学家都参与了。学术界的争论可以促进学术进步，但也会损害学者的身心健康，甚至导致物理学家自杀。

1909年，奥地利著名物理学家玻尔兹曼在意大利度假酒店上吊自杀。玻尔兹曼孤僻内向，沉浸在他的“原子主义”和奥斯特瓦尔德的“能量学”之间的斗争中。这场争论与量子理论无关，以玻尔兹曼的胜利而告终。然而，漫长的辩论过程使玻尔兹曼精神激动，无法自拔，痛苦与日俱增，最后他只能用自杀来缓解自己的所有忧虑。玻尔兹曼的死震惊了学者，并在一定程度上影响了荷兰物理学家艾伦菲斯特(1880-1933)。后者曾在玻尔兹曼手下学习，是爱因斯坦的好朋友。他的“沉浸假说”和玻尔的对应原理是经典物理学和量子力学之间的两座桥梁。1933年9月25日，艾伦菲尔德开枪自杀。他的死震动了物质世界。

坡和艾的第一次交锋是在1927年的第五次索尔维会议上。这可能被认为是一次史无前例的物理小组会议。出席会议的29人中，有17人获得了诺贝尔物理学奖。

索尔维是一个对科学感兴趣的实业家。他通过发明制碱方法变得富有。据说苏维变富后自信心增强了。他发明了一个关于重力和物质的荒谬理论，与物理实验和理论无关。尽管物理学家对他的理论不屑一顾，但他们还是蜂拥而至参加他的学术会议。结果，那一年的索尔维会议变成了大规模的量子理论研讨会，这也是爱伦坡战争的一个重要战场。

在爱伦坡之争中有三个回合值得一提:分别是1927年、1930年和1933年的索尔维会议。

爱因斯坦对量子理论的怀疑主要表现在三个方面，即爱因斯坦的经典哲学和因果概念:一个完整的物理理论应该具有确定性、实在性和局部性。

爱因斯坦认为量子理论中的海森堡原理违反了确定性。根据海森堡的测不准原理，一对共轭变量(如动量和位置、能量和时间)不能同时精确测量:当一个粒子在这个时刻的速度被精确测量时，它在这个时刻的位置就不能被精确测量。或者，当一个粒子的能量被精确测量时，此时的时间就不能被精确测量。所以他说，“上帝不会掷骰子！”

这里所谓的“上帝掷骰子”不同于人们掷骰子的方式。统计和概率是当今科学技术领域常用的数学工具。人们用统计方法来预测气候变化、股市趋势、物种繁殖和人们的受欢迎程度。“概率”这个词在几乎所有学科中都是不可或缺的。然而，我们在这些情况下应用概率规则，因为我们没有足够的信息或者不需要知道这么多。例如，当一个人向上扔硬币并用手接住它时，硬币的方向似乎是随机的，向上或向下。然而，这种随机性是因为硬币的运动不容易控制，因此我们不知道硬币飞出我们手中的细节。如果我们对硬币飞出时的力有一个清晰的理解，我们就能完全预测硬币落下时的方向，因为硬币实际上遵循一个完全确定的宏观力学定律。但是量子理论不同于此，量子理论中的随机性是必不可少的。换句话说:掷骰子的人有可能出现；上帝掷骰子，这是一个基本的概率。

所谓现实主义与我们所熟悉的唯物主义相似，唯物主义认为物质世界的存在不依赖于观察手段。不管我们看不看，月亮真的挂在天上了。局部性意味着在两个彼此远离的地方不可能有瞬时的超距离效应。

1927年10月，当布鲁塞尔盛开，红叶飘落时，著名的第五届苏威会议在这里举行。如上图所示，参加会议的人很多。从这张老照片中许多闪亮的名字中，我们似乎一个接一个地看到了量子理论两大流派英雄的生动形象:每个人都有特殊的效果，都有自己的法宝，士气高昂，精神饱满，并被邀请前来。

玻尔高举他的“氢原子模型”，生来就不停地念叨着“概率”，德布罗意骑着他的“波”，康普顿西装上印着“效应”这个词，狄拉克带着“算符”，薛定谔带着他的“方程”，在他的身后藏着一只不朽的“猫”，布拉格举着“晶体结构”模型，海森堡和他的同学泡利形影不离，两人都举着“不确定性原理”和“不相容原理”，艾伦斯特也抓住了他的“沉浸原理”招牌。

爱因斯坦当时40多岁，他没有像圣人一样随意飘动的白发。然而，他举着两个相对论的标志性旗帜，头顶着光电效应的光环。因此，他坐在老一辈无产阶级革命家的第一排中间。有一位德高望重的白发老太太，居里夫人，镭的发现者和仆人。此外，我们还看到了许多其他大师的伟大成就:洛伦兹的“变换”，普朗克的“常数”，朗之万的“原子论”，威尔逊的“云室”等。

虽然每个人都有独特的技能，也有自己独特的技能，但是每个人的心里都藏着一个量子妖精——受够了他们的孙悟空。这个孙悟空是人还是猴子？是鬼还是恶魔？这是真的还是假的？你们大师对此有不同的观点和看法。

双方势均力敌:玻尔的哥本哈根学派人数更多，但爱因斯坦有薛定谔和德布罗意这三个重量级人物，这一点不应低估。

最后，就正式会议而言，这是一次非常成功的量子理论会议。玻尔的哥本哈根学派及其对量子理论的解释赢得了巨大的胜利。在闭幕式上，爱因斯坦站着不动，静静地坐着，直到玻尔完成了他关于互补原理的演讲，然后他突然发起进攻:“对不起，我没有深入研究量子力学，但我仍然愿意谈论一般观点。”然后，爱因斯坦以α射线粒子为例，对玻尔和其他学者的讲话表示怀疑。然而，他当时的讲话相当温和。然而，在正式会议后几天的讨论中，火药的味道变得更浓了。根据海森堡的记忆，经常是在早餐时，爱因斯坦构思了一个可以打败玻尔的聪明的思想实验，但是当他到达餐桌时，玻尔想出了一个一次又一次化解爱因斯坦进攻的技巧。当然，最终，没有人说服任何人。

1930年秋天，第六届苏威会议在布鲁塞尔举行。准备充分的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他著名的思想实验——“光子盒”。

实验装置是一个盒子，盒子的一侧有一个小孔，孔上有一个挡板，盒子里放着一个只能控制挡板开关的机械钟。这个小盒子里装有一定量的放射性物质。这个钟可以在某个时刻打开一个小洞，并发射光子。这样，它的运行时间可以被精确地测量。同时，将小盒子挂在弹簧秤上，可以测量小盒子的缩小质量，即光子的质量，然后可以利用质量-能量关系e = mc2获得能量损失。这样，时间和能量同时被精确地测量，这可以表明测不准关系是站不住脚的，玻尔学派的观点是错误的。

在描述了他的光子盒实验之后，爱因斯坦看着玻尔，说不出话来，搔着他的头和耳朵，心里暗暗高兴。不想梦不长，仅过了一夜，第二天，玻尔就‘以同样的方式对待人，以同样的方式对待人’，发现了一个最精彩的修辞，用爱因斯坦自己的广义相对论，戏剧性地指出了爱因斯坦思想实验的缺陷。

光子耗尽后，一旦质量变轻，悬挂在弹簧秤上的小盒子就会向上移动。根据广义相对论，如果时钟沿着重力方向移动，它的速度就会改变。这样，由于光子耗尽，小盒子上的机械钟读取的时间将会改变。换句话说，有了这个装置，如果要测量光子的能量，就不可能精确地控制光子逃逸的时刻。因此，玻尔用广义相对论中的红移公式来推导能量和时间之间的不确定关系！

无论如何，爱因斯坦仍然不相信，尽管当时他很震惊。然而，从那以后，他不得不让步，承认玻尔对量子力学的解释没有逻辑缺陷。“量子理论可能是自洽的，”他说，“但它至少是不完整的”，因为他认为一个完整的物理理论应该有确定性、实在性和局部性！

虽然玻尔巧妙地利用广义相对论来反击爱因斯坦的“光子盒”模型的挑战，但他的心仍然不是很踏实，而且在争论中还有一些猜测。从经典广义相对论出发，应该不可能得到量子力学的测不准原理，其中许多原理仍需澄清。此外，谁知道爱因斯坦下一次会想出什么新把戏？波尔嘴里不停地说:“爱因斯坦，爱因斯坦...爱因斯坦，爱因斯坦……”他的心里充满了情感。直到1962年去世，玻尔一直对第二轮辩论耿耿于怀。据说爱因斯坦光子盒的照片还在他工作室的黑板上。

1935年，第三轮爱伦坡之争达到高潮。这是我们的下一个EPR悖论，它将把我们引向这一系列文章的主题:量子纠缠。