迄今為止物理界最豪華陣容「華山論劍」之索爾維會議

2020-12-04 彬哥物理小站

量子力學終於在1924~1925年之間由海森堡和薛丁格各自獨立地建立起來,隨後M·玻恩給出了波函數的概率解釋。漂亮的方程從形式上看起來是那麼完美,一切似乎萬事大吉。然而物理學家們始料不及的是,量子力學的宏偉大廈在形式上的完成不僅沒有平息人們的困惑,反而掀起了一場更大的風暴。

圍繞著量子力學的詮釋,在物理學家們中間引起了激烈的爭執,曠日持久的爭執引起了物理學家的分裂。愛因斯坦,這個二十世紀物理學革命的偉大旗手,量子論的先驅,如今卻站到了它的反面,公開地反對哥本哈根的那一幫人賦予它的概率性的解釋,這多少讓玻爾覺得有些難受。隨著雙方幾個回合的交鋒,越來越多的物理學家倒向了玻爾的陣營,哥本哈根的詮釋隨即也被奉為「量子力學的正統觀點」,愛因斯坦的身邊只剩下德羅布意和薛丁格這兩個同情與支持者。越來越多的物理學家開始對愛因斯坦的「出走」(甚至有人認為這是對新物理學的「背叛」)表示不滿,因為大家都曾經那麼深信不疑:思想開明甚至是激進的愛因斯坦,怎麼可能充當新物理學的絆腳石?就連愛因斯坦的摯友埃倫菲斯特都直言不諱地當著愛因斯坦的面發牢騷:「愛因斯坦,我真為你感到羞恥!想不到你居然也扮演了那些反對相對論的人的角色!」然而愛因斯坦只服從他內心的聲音,而現在這個聲音告訴他:這(量子力學的概率詮釋)不是真實的。於是結果就這樣註定了:愛因斯坦與其他人分道揚鑣,漸行漸遠,在餘生近乎隱居的生活裡,獨自探索著遙不可及的統一場論;物理學則失去了它的偉大旗手。對於大家來說,這簡直就是一個悲劇。M·玻恩以傷感的語調說道:「我們失去了我們的領袖。」派斯(愛因斯坦傳記的作者、下一代的物理學家)則帶著革命性的嘲諷口吻說:1925年以後,即使愛因斯坦以釣魚為生,物理學也不會有什麼損失。

愛因斯坦是堅定的因果論者,他不相信哥本哈根學派對於客觀實在的概率性的解釋,他毫不懷疑哥本哈根學派用「概率」這樣的概念來解釋量子力學是出於某種實用主義的目的(他曾直言不諱地把它叫做「玻爾的綏靖主義哲學」),而且不止在一個場合表達他不相信「上帝是不擲骰子的」的觀點。早在1926年寫給波恩的信裡,他就說:「量子力學令人印象深刻,但是一種內在的聲音告訴我它並不是真實的。這個理論產生了許多好的結果,可它並沒有使我們更接近『老頭子』的奧秘。我毫無保留地相信,『老頭子』是不擲骰子的。」(「老頭子」是愛因斯坦對上帝的暱稱。)

相比之下,玻爾本人似乎更像一位莫測高深的「不可知論者」(他毫無疑問的並不是這樣的人),他似乎更傾向於不簡單明了地把觀點表達出來,他反對用一兩個簡單的概念或者觀點來闡述問題,因為這樣是片面而不完備的,不符合「互補」的觀點(相比之下愛因斯坦闡述問題要直截了當得多。我個人更傾向於認為玻爾的這種雲山霧罩的態度有效地增加了量子力學的不可理解性,很有些像老子所說的「道可道,非常道;名可名,非常名」的派頭)。

1925年第5次索爾維會議期間,愛因斯坦和玻爾進行了激烈的交鋒。常常是頭腦敏捷的愛因斯坦在早餐桌上迅速地拋出一個又一個思想實驗來敲打哥本哈根的解釋,而玻爾則面色凝重地接過來仔細推敲,而到了晚上,問題通常都能解決,而且都是玻爾取得勝利,於是愛因斯坦就在夜深人靜之際炮製自己的下一發炮彈。

1930年的第6次索爾維會議上,愛因斯坦帶來了一顆重磅炸彈:他精心設計了一個光子箱的思想實驗來反駁玻爾和他的弟子們的觀點:一個理想的內有若干光子的箱子,上面開一個小孔,並用一個快門來控制小孔的開閉,控制小孔的開閉頻率,使得箱子開啟的時間△t足夠小(這個△t雖然小,卻因為是可控制的,因而也是可確定的),可以使得在△t內從箱子內只能逸出一個光子。逸出的光子的質量m可以用放置箱子的一架理想天平精確地通過測量光子逸出前後箱子的質量差△m測出,即m=△m,根據相對論的質能方程E=mc2,可以精確地算出逸出光子的能量△E。那麼,△E和△t都很確定,海森堡的公式△E·△t≥h/4π也就不成立。所以整個量子論是錯誤的!

愛因斯坦的精妙設計讓玻爾目瞪口呆。羅森菲爾德回憶道:「這對玻爾是一次不小的震動……他沒能立即找到答案,整個晚上他極度憂傷,一個又一個地想說服別人那不可能是真的,因為假如愛因斯坦是對的,那將意味物理學的終結。我將永遠不會忘記兩個冤家對頭離開〔學術基金會〕俱樂部的情形:愛因斯坦,一個高大的形象,平靜地走著,帶著些許諷刺的微笑,而玻爾灰溜溜的走在他的附近……第二天上午就迎來了玻爾的勝利。」

玻爾苦思一夜得出的結論,居然是愛因斯坦在設計這個實驗的時候忘記了這樣一個重要的因素:根據愛因斯坦的廣義相對論,引力場會產生紅移效應,物質處於引力場中會產生與狹義相對論類似的時鐘變慢現象,當改變箱子的質量時(其實也就是改變引力場的質量時),時間的長度會發生改變,這時△t就不再能測準了。

愛因斯坦被自己的理論打敗了,他啞口無言,但並不認輸。用玻爾的話說:「他被打敗了,但並沒有服輸」。這一次會議之後,愛因斯坦和玻爾之間面對面的論戰算是告一段落了。愛因斯坦沒有出席1933年的第7次索爾維會議,他已經在納粹的瘋狂迫害下被迫流亡美國。

1935年,愛因斯坦(A.Einstein)和他的合作者波多爾斯基(B.Podolsky)、羅森(N.Rosen)聯手拋出了一份題為《量子力學對物理實在的描述是完備的嗎?》的論文,其中設計了一個粒子衰變為兩個粒子的判決實驗,以責難的口吻表達他們對量子力學的哥本哈根解釋的不滿:假定一個自旋為0的大粒子衰變成A和B兩個小粒子,那麼在兩個粒子通過觀測儀器之前,按照哥本哈根解釋,它們的狀態是不確定的,但顯然,為了維持總自旋的守恆,B粒子的狀態時時刻刻總是由A粒子確定的(它只能與A粒子的自旋相反而不能相同,否則自旋就不能守恆),這顯然是與哥本哈根解釋及測不準原理相矛盾的,因此可見量子力學的解釋是不完備的。後來他們提出的這一問題被物理學家以三人姓氏的首字母合稱為EPR佯謬。玻爾不久以後就給出了自己的回答。迄今為止,圍繞EPR佯謬所作的精密的實驗結果全部支持量子力學的哥本哈根解釋,但並沒有解決量子力學本身存在的問題。量子力學依然處於令人尷尬的境地,一如著名理論物理學家理察·費曼所說的那樣:「我確信沒有人能懂得量子力學」。

玻爾一直到死,也未能使愛因斯坦信服,認為量子論的解釋是完備的。在他1962年去世後的第二天,人們在他的黑板上仍然發現畫有當年愛因斯坦光箱實驗的草圖。兩位科學巨人都為各自的信念而奮鬥了一生。需要指出的是,雖然愛因斯坦和玻爾之間在對於量子力學的哲學意義的認識上存在著激烈的爭執,但這絲毫不影響兩人之間的友誼。愛因斯坦喜歡比他小6歲的玻爾,他喜歡玻爾的直率和執拗;而玻爾也十分尊敬愛因斯坦,他在思考問題時總是會想:這個問題愛因斯坦會怎麼看?這兩位二十世紀物理學的巨人終生保持著友好的關係,玻爾流亡美國期間曾不止一次去看望愛因斯坦。

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