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一 第一阶段 能量与时间是否可同时测准
欧得：1927年9月在意大利科摩召开国际物理学会议爱因斯坦没有参加，谁都想知道这位权威的态度。紧接着，第五届索尔维物理学会议就要在1927年10月召开，玻尔和爱因斯坦都出席这次会议，这次会议的主题是“电子和光子”，讨论的焦点集中在新出现的量子力学是否意味着要摒弃确定性原理上。玻尔重复了他在上次会议上的观点。爱因斯坦很快亮明了自己的看法：他不喜欢测不准原理，他不愿意放弃“实体性”，他说：“这个理论的缺点在于它一方面无法与波动概念发生密切的联系，另一方面又把基本物理过程的时间和空间拿来碰运气。”双方争论从此开始。 爱因斯坦用他的拿手的“假想实验”，“假想实验”是在原理上可以实现的实验，类似当年的扬氏干涉实验。两个平行的平板，第一条上有一个狭缝K，第二个上有两条平行的狭缝M、N，后面放一个感光器等，当电子通过K和M、N后，在胶片上形成干涉图样。 爱因斯坦认为：控制O点让O一个一个地放出粒子，并可知道粒子上的动量。分别关闭M或N，就可知道粒子到底是从M或N通过，就可以准确知道粒子的位置。这样我们就可以同时知道了粒子的动量和位置，测不准关系不能成立了。 玻尔认为：我们测量K点粒子动量时，不可避免对它产生的影响。并且关闭M或N意味着改变了干涉实验条件，使干涉变成单狭缝衍射了。 玻尔还认为：当我们对粒子进行测量就要对它产生一影响，当我们尽量减小对粒子的影响，减小到不影响粒子的地步，也就不能知道它的位置，也就无法测量了。 玻尔认为他已经证实了自己的论点。但爱因斯坦的看法没有什么改变，他确信，即使上述安排还不足以得到精确的结果，也会有别的可行的方法的，他说：“我深信，从根本上来说，量子理论的统计表现是由于这一理论所描述的物理体系还不完备。”他坚持认为，玻尔还没有研究到根本上，反而把不完备的答案当成了根本性的东西。爱因斯坦对玻尔及追随者们的几率观点开了一个小玩笑。他说：“难道你们还真的相信上帝也靠掷骰子办事吗?”玻尔回敬道：“难道你不认为用普通的言语来描述神的旨意时，还是小心一点为妙吗?” 这次在科学史上最有影响的索尔维会议结束了。物理学家们回到了世界各地，继续考虑讨论这个问题。下一届索尔维会议在布鲁塞尔召开，爱因斯坦、玻尔将出席会议，正如人们预料的，以前那场著名的争论很快开始。 爱因斯坦光盒 爱因斯坦提出了用相对论的方法来实现对单个电子进行时间和能量的准确测量，爱因斯坦画了如下一个草图，这是一个盒子，一侧有一个小孔A，这个小孔可以用快门K来启闭，而快门则用盒中的时钟的机械装置来控制，小盒的重量是可以测量的，盒中装有一定量的辐射物质，这只钟可以调节得只在某一时刻使快门开启到刚好放出一个粒子(光子或电子)的时间就关闭，这样就可以精确测量粒子放出的时间。此外，通过测量粒子放出前后盒子的重量，就可以准确知道粒子的质量。根据狭义相对论中爱因斯坦关系式E=mc2，能量也可以准确地测出来，于是，我们就可以在准确的时间间隔里测量出准确的能量变化，测不准关系破产了，准确性和事物的因果性都同时得到了恢复。爱因斯坦最后还着重表示，这一次实验根本不涉及观测仪器的问题，没有什么外来光线的碰撞可以改变粒子的运动。这就是著名的“爱因斯坦光盒”实验。 当玻尔听到爱因斯坦的发言后，“面色苍白，呆若木鸡”，当天夜里，玻尔和他的同事们一夜没合眼。第二天上午，会议又开始了，玻尔喜气洋洋地走向黑板，也画了一幅草图，与爱因斯坦不同的是，玻尔具体给出了称量小盒重量的方法。他把小盒用弹簧吊起来，在小盒的一侧，他画了一根指针，指针可以沿固定在支架上的标尺上下移动，这样，就可以方便地读出小盒在粒子跑出前后的重量了。然后，玻尔请大家回忆爱因斯坦创立的广义相对论，从广义相对论的等效原理可以推出，时钟在引力场中发生移动时，它的快慢要发生变化，因此，当粒子跑出盒子而导致盒子重量变化时，盒子将在引力中移动一段距离，这样所读出的时间也会有所改变，这种时间的改变，又会导致测不准关系，可见，如果用这一套装置来精确测定粒子的能量，就不能精确控制粒子跑出的时间。玻尔随之给出了运用广义相对论原理的数学证明。 爱因斯坦承认，玻尔的论证和计算都是无可指责的，他不再怀疑测不准关系了，但仍对玻尔所理解的量子力学解释持否定态度。因为量子理论本身并不能证明几率特性就是微观粒子自身的属性，所以，他虽然放弃了对量子理论内部逻辑自洽性的诘难，但却把攻击的矛头转到了量子理论的完备性上来。 二、第二阶段 EPR悖论 1935年5月，爱因斯坦和他的同事波多尔斯基、罗森合写了一篇题为《能认为量子力学对物理世界的描述是完备的吗?》的论文。提出了如下关于完备理论的条件和关于物理实在的判据： 完备性的条件：物理实在的每个元素都必须在理论中有它的对应物。 物理实在的判据：要是对于一个体系没有任何干扰，我们能够确定地预测一个物理量的值，那么对应于这个物理量必定存在着一个物理实在的要素。 但在量子力学中，由于测不准关系的结果，使得对于物理量例如动量和位置，要得到其中一个物理量的准确知识，就会排除另一个物理量的准确知识。而且任何一种想在实验上测定后者的企图，都将改变体系的状态，使得前者的知识受到破坏。但是量子力学又假定，同一体系所处的状态对应的波动函数，我们能够确定地预测物理量的值，那么对应于这个物理量必定存在着一个物理实在的要素，确定包含着这个体系的物理实在的完备描述，即波函数所能得到的知识，严格对应于那些不改变体系状态的可量度的东西。 这就导致了如下二难推理： 要么，（１）由波函数所提供的关于实在的量子力学的描述是不完备的，因为它是完备的，它就将对物理体系的实在要素提供准确的描述，但这是与测不准原理相矛盾的。 要么，（２）当对应于两个物理量不能同时实在的，那么量子力学就不是对实在描述的理论了。 这就是著名的“ＥＰＲ”悖论。 在论文的第二部分，ＥＰＲ设想了一个理想实验，他们鉴于以前所设想的理想实验，都由于与测量仪器之间发生了不可避免的干扰而遭到失败，这回就设想了一个对一个物理体系不进行任何干扰的测量方法。 测量一个由粒子１和粒子２组成的相关体系，如果我们已知这个体系在当 时的状态，即使在此以后，粒子１和粒子２不再相关例如各自分开到足够远的距离，那么根据薛定谔方程，仍然可以推算出以后任何时刻整个体系的状态。但如果我们测量出粒子１在某时刻一个准确的量值，通过薛定谔方程就可以预言粒子２同时也具有某个确定的动量值；同样，测知粒子２的位置，也可算出粒子１的位置的确定值。由于此时粒子１与粒子２间的距离足够远，已经没有相互作用，所以测知粒子１的位置，就不会对粒子２产生任何干扰，从而满足了实在判据的所要求的条件。这样，我们就可以在对粒子２不进行任何干扰的情况下，通过对测知粒子１的情况，可算出粒子２的位置的确定值，也可算出粒子２的动量的确定值，这是与测不准关系相矛盾的，因此，量子力学对物理实在的描述是不完备的。 EPR也考虑到，人们可以这样来反驳这个实验：由于测不准关系讲的是不能同时准确测量两个不可对易的物理量，而这个实验中的动量和位置是先后测出的，所以它们不可能同时是实在的。EPR指出，这样做实际上是认为动量和位置的实在性要取决于对粒子1进行测量的秩序，但在这个实验中，由于在测量时对粒子2没有产生任何干扰，从而实现了一种在没有任何干扰情况下预言微观体系性质的可能性，从而排除了玻尔和海森堡认为测不准关系是由于测量仪器和微观客体之间具有不可控制的相互作用而引起的原因。所以，这种反驳是不成立的。 欧得：五个月以后，玻尔以同样的标题在同一家杂志上发表了一篇文章，对爱因斯坦等人的诘难提出了反驳。 不确定原理 玻尔的主要思想是：量子力学所涉及的是微观现象，由于作用量子存在规定了微观客体和测量仪器之间有相互作用，这就迫使我们不仅要放弃经典的因果性概念，而且也要激烈地修改对物理实在的看法，即物理实在的要素与理论之间不见得要求有精确的一一对应关系，因此，EPR判据在本质上对于合理地说明量子力学所涉及的微观现象是不适用的。 夏普：这表明这样一个问题，作为事物偶然性标志的统计性，是否可以看成是客观事物的一个根本属性？玻尔说是，爱因斯坦说不是。 这已经把对量子力学理论的诘难转化为关于统计论和决定论之间的哲学争论上去了。 不过，争论的实质问题仍然是粒子是否有确定的轨道，只不过是换个说法而已，看起来更严格一点。 欧得：1948年，爱因斯坦对EPR佯谬进行一次深入讨论，1949年玻尔在纪念爱因斯坦70寿辰发表《爱因斯坦：哲学家——科学家》，阐明自己的看法，同年，爱因斯坦发表《对批评的回答》。 三、尾声 斯诺：这场争论真激烈。最重大的自然科学问题，都要涉及到哲学，看来一点不假。后来呢？ 欧得：在这之后，爱因斯坦在量子力学发展之外继续自己的研究之路。物理学家玻恩回忆道：“我们当中许多人都认为，这是一个悲剧——对于他来说，他在孤独探索自己的道路，对于我们来说,我们失去了我们的领袖和旗手。” 可是爱因斯坦认为哥本哈根学理把物理学引入了歧途。 在他们去世之后， 一些物理学家试图接受爱因斯坦的方向提出一个完备的理论，一种作用于微观现象的本质东西，即隐变量理论。假设存在一种当时理论中不能觉察的东西去解释一些可以观察的现象，假设量子力学存在一些新的变量，它们决定任何可观察量，关于这一点，一些科学家还坚持搞他们的工作，并取得了一些结果。然而距离成功还有相当遥远的距离。 有人为此奋斗了一生而一无所获，所以现在搞基础理论的人越来越少了，有这样一句广告词：干什么职业辛苦而又没利润，搞理论好了！这不仅是因为搞基础理论不能很快带来经济效益，更重要的是搞理论是非常艰辛的，很难搞出新的东西来。关于这一点爱因斯坦说过，“至于探索真理，我从自已不时撞入死胡同的痛苦的探索中认识到，在朝着了解真正有意义的事物方面，每迈出不管是多么渺小的一步，都是难乎其难的。”所以说，新理论不是那么容易被发现的，只有先学好别人的理论，才有可能取得一点有限的成绩，而不能好高骛远，眼高手低。 斯诺：我怕只是别人的都学好了，新思想也就没有了。欧的先生学量子力学这么多年，教了这么多年，也算是这方面的专家了，你有什么新的思想？你是不是也没有嘛。我认为学习关键是带着怀疑的态度去学习，才有可能发现新的问题，有所创新。 夏普：我学习量子力学的时候，就很难接受其中的物理思想，时而清楚时而糊涂。我相信，绝大多数学量子力学的人都有这种感觉，我的同学，即使量子力学学习得很好的同学也有这种感觉，感到里面有很多复杂的问题。 欧得：人们刚刚接触量子力学时都感到震惊和惊讶，但经过几十年后，人们已经习惯成自然了。关键问题是在实用方面，量子力学解释了许多具体问题，量子力学已经深入到大部分学科领域，在几代人的时间里，理科的大学生们把他当作理所当然的东西来学，所以对有些问题不要死钻牛角尖。 第六节 问题并没有结尾——皇帝到底穿没穿衣服 夏普：我认为玉不掩瑕，量子力学成功地解释了许多实际问题，但并不说明它不存在问题，我们把他们对立的观点总结为以下几点： 一、关于客观实在问题 哥派不再认为物理学规律是关于存在的规律，并且把它自身限于只讲那些关于存在的某些可能性的规律，认为讨论客观的实在是无意义的。 爱因斯坦认为，自然界是独立我们之外的客观实体，“物理学试图从概念上把握任何现实世界。” 玻尔的定义则与此不同，可以说是相反的，他说：“如果物理学的任务是发现自然的究竟，那可是错误，物理关心的是我们对自然能说些什么。” 传统哲学，还有爱因斯坦，一直把现实世界看作是第一性的东西，而把人们所说的或能发现的看作是第二性的东西。 玻尔认为这种区分是不适宜的，一切都取决于相互作用，取决于人们如何看待它。 玻尔讲起三人尝醋的故事，来说明他的思想。 第一个品尝的是大思想家、教育家孔子，他说：“酸。” 第二个是叔本华，叔本华是德国唯心主义哲学家，他在品尝之后说到：“苦。” 大思想家老子品尝过后，他说：“鲜。” 爱因斯坦与玻尔之争具体地说，原子是一个粒子或是一个抽象的想象？ 爱因斯坦认为原子是一个具体的粒子，尽管测量对它产生影响。 哥派认为，原子只在受观察时才变成具体的实在。因为一个独立的实体应该有位置，并有确定的运动，而原子只能有两者其一，所以假如原子没有位置，或没有运动，我们就不能说它是具体的实在。 正如美国著名物理学家惠勒所说的现代物理学悖论之一， 他说：“悖论何在呢？我们历来相信，物理学总是预先假定：世界是存在于我们之外的，不依赖于任何观测行为。然而量子力学却告诉我们，世界并非存在我们之外和独立于我们所有的观测行为。” 二、单个粒子是否有确定的轨道 爱因斯坦在粒子是具体的实体的基础上认为，量子力学方法只是一个统计结果，对单个电子什么也没说，每一个具体粒子应该存在确定的轨道。 哥派认为，量子论完备地描述单个电子的行为。某个电子到哪一点是不定的，它不存在确定的轨道，单个电子不是在这一点或其它点的问题，而是既不在这又不在那里，这种说法受不确定关系的影响，只知道单个电子到某一点，比如Ａ点可能性是多少，同时它到Ｂ点的可能性是多少。 这个情况换一种物理学上常用的实验现象说明，在干涉现象中，如果我们放慢电子束的发射速度，让一个一个的电子单独通过小孔，如果问：一个电子从两个小孔中的哪一个通过？两种看法的区别就很明显了。 爱氏认为电子是从两个小孔中的某一个通过。 而哥派认为是从两个小孔中同时通过，这也就是斯诺先生你刚开始提出的电子可分性问题，或者说一个人同时从房间的前后门通过的问题。 关于这个问题哥本哈根学派认为，单个电子间有一种无条件的神奇关系，使它们产生规则的衍射图样，不认为两个小孔与屏之间存在确定的轨道。 爱氏认为这是不对的，他要知道单个电子究竟从哪个孔过。 这个问题可以换一个说法：按哥派的观点，电子可以同时在两个地点或同时朝两个方向运动，甚至可以多于两个。这意味着电子可被分成小碎片，如果电子还存在的话。 而爱氏显然认为：电子还是整个电子。 斯诺：我对电子可分性，也就是说电子没有确定的轨迹这一点很难理解。 欧得：哈，这一点不但你不理解，其它外行人也不理解，这是只有非常专业的人才能够理解，如果问题都这么简单，你们都能理解的话，那么我们这些学了几十年的人还靠什么吃饭呢？ 斯诺：我认为自然界的道理是相通的，你的这方面专业的知识我不懂，但我相信专业人员认为正确的、目前流行的未必就正确，在科学史上，日心说出现以前，地心说一直被认为是正确的，并且这种观点达一千多年之久。我认为最深刻的道理，往往是最简单的，应该是一般人都能想象和理解的，所以我对这一点感到费解，我相信其它许多人有一样的感觉。 夏普：是的，即使一些比较专业的人士，对这一点也未必全都赞同，也感到很困惑，一本书上在描述这一问题时用了一段无可奈何的对话： “爸爸，它是粒子还是波？” “全对”。 “爸爸，电子在这儿还是在那？” “全对。” “爸爸，科学家是不是真的知道他们谈的是什么？” “ 全对。” 三、 决定论或是非决定论 两者的对立，本质上还包括决定论和非决定论的对立。这是哲学上的一个根本问题。爱氏认为粒子有严格决定的轨道，哥派否定这个说法。 为了说明这一点，设想一个容器中，装有某种气体，是由大量分子组成的。容器开一个小孔，气体分子离开容器都有一定的可能性，也就是几率，比如，每个分子出去的几率为十分之一。 爱因斯坦认为每个分子离开容器的可能性是大量分子的统计结果，每个具体分子受其周围原子及容器壁之间的碰撞，是由力学定律严格决定的，是严格决定论。因为原子数量大，我们无法，也没有必要知道每个分子的情况，所以对每个分子出去的事件的表示，用可能性的几率，但它本质上是严格决定论的。 哥派认为单个分子行为不存在严格的决定论，没有严格决定的规律，仅仅存在每个分子某时出去的可能性的几率，也就是非决定论，或者说是非严格决定论。 爱因斯坦给物理学家玻恩的信写道：“我们对科学的愿望极端相反，你相信掷骰子的上帝，而我相信客观的世界完全受规律支配，那也就是我力图用一种原始的揣测去把握的东西。”爱因斯坦不相信掷骰子的上帝，也就是说他不相信物理学的基础是统计理论，这一看法一直伴他到逝世。 爱因斯坦认为，统计性即不完备性。他说：“我一如既往，不认为统计方法是终极的方法。”“我对统计性量子理论的反感不是针对它的内容，而是针对人们现在认为这样处理物理学基础在本质上已经是最后方式的这种信仰。” 爱因斯坦认为，统计性即表面性。人们获得对事物的统计性认识是一种表面认识，统计性知识还没有深入到事物的本质。“我深信，以统计学为基础的理论，尽管取得了巨大的成功，但是停留在事物的表面。”说统计性也有规律，这还可以，说统计理论代表事物的本质，即统计理论比非统计理论更根本，那是爱因斯坦坚决拒绝的。 四、关于是否存在超光速物质 根据哥本哈根学派的观点，如果量子力学完备，测不准关系成立，就得出在自然界中，空间上相互隔离的物质系统之间存在某种超距作用，意味着超光速物质的存在，这与相对论的基本原理相对立。 玻尔进一步对EPR的理论进行了深入的分析， 指出在两个互相关联的微观体系分开以后，仍然可以存在着某种关联，这种关联使得我们作用于其中一个粒子时，也就作用于整个体系。因此，在测量粒子１时就能够预言粒子２相应物理量的值。这种思想中又隐含着存在超光速物质。 比如，假设一个粒子一分为二，其两半可以在不受干扰的情况下做反向运动，运动到相当远处。尽管二者相距相当远了，但每一碎片都有其同伴的记忆，也就是说，假如一半碎片以顺时针自转的方式飞出，那么，另一半就要以逆时针自转的方式向相反方向飞出。 哥派则认为，每一个碎片的自转都有两个以上的潜在可能方式。用上面的例子说就是，1有两个幽灵，一个顺时针转，一个是逆时针转，哪一个幽灵为实在的粒子，得等到一个确定的测量或观察进行之后才能知道。同样，作相反运动的2也是由两个自转方向相反的幽灵代表的。然而，假设测量了1，使其顺时针转的幽灵成为实在，2就没有选择了，它必须使其反时针转的幽灵成为实在。这两个分离开来的幽灵粒子必须相互配合，以便与作用力与反作用力的定律相一致。 玻尔断言，人们不可能把世界看成是由许多分离的碎片构成的，在进行实际测量之前1与2必须看作是单一的整体，即使它们相隔几光年之遥。 这就意味着1与2之间存在无条件的超光速的联系。 五、因果率的问题 决定论与因果率是紧密相联的。从哲学上讲，爱因斯坦认为，上帝掷骰子同因果率不相容。他的思想基础是信仰无限制的严格的因果率。他说：“放弃严格的因果性是我非常难以忍受的。” 爱因斯坦并不否认现在统计性的量子力学已取得了与实验相符的成功，“在放弃了严格的因果性以后，合理科学也能存在，这种情况本身就很有趣。此外，不能否认，放弃严格的因果性在理论物理学领域获得了重要成就。” 爱因斯坦认为，在这一点上，量子力学无可怀疑地获得了重要成就，但它没有接触到事物的根本。他认为，描述自然界能够用可能性的几率，但它的本质是实体。 爱因斯坦说：“量子力学的特征只要牺牲严格的因果性，它们在本质上是一种统计理论。”“它们似乎都是一种正确的规律理论，但对单个基本元过程还缺乏充分的理解。”“理论固然不得不钦佩，但我却闻不到真理的气味。”“量子力学固然是堂皇的，可有一种内在的声音告诉我，它还不是真正的东西。”“我一如既往地坚信，把自然规律加以几率化，从更深邃的观点看是一个歧途，尽管统计方法获得了实际上的成功。” 第七节 幽灵仍在黑暗之中 斯诺：看来双方的争论很激烈，而且还牵扯到我感兴趣的哲学问题，这确实激起了我内心深处的兴趣。使我也能够体验到本世纪最伟大的科学家的内心世界以及他们的科学思想，他们激烈地对立。 欧得：爱因斯坦与玻尔的对立，实际上可以看作对同一问题的不同看法，两者本质上是辩证统一的关系，一个适应于微观领域，一个适应于宏观领域。 夏普：两者的对立出现在于微观世界，如果与宏观世界无关，我们也不必感到不安，可不幸的是宏观是由微观组成的。没有具体的一个一个的细胞怎样组成活生生的人，回避矛盾不是解决问题的办法，只有承认矛盾，承认问题，加以思考，加以解决，才有可能推动科学的发展。总之，象爱因斯坦和玻尔的争论不可以简单的胜负为结论。美国物理学家惠勒说：“我确实不知道哪里还会再出现两个更伟大的人物，在更高的合作水平上，针对一个更深刻的论题进行一场为时更长的对话，我向往有一天，诗人、剧作家、雕塑家将会表现这一题材。” 我来归纳以下双方的主要观点。 爱因斯坦点： 哥本哈根学派的观点： ⒈独立于我们之外存在一个客观存在。 ⒈除了我们的感觉 之外，对于世界，我们 什 么也不能说。 ⒉粒子存在确定的径迹。 ⒉粒子没有确定的径迹。 ⒊存在严格的决定论。 ⒊不存在严格的决定论，只 存在统计率。 ⒋存在严格的因果率。 ⒋不存在严格的因果率。 ⒌两粒子之间的作用不能超过光速。⒌两粒子之间的作用可 以超过光速。 斯诺：从双方的观点看，对具体的物理事实的结果中都无分歧，关键在单个的粒子的情况看法不同。这涉及到我的本专业哲学的问题，涉及实在论问题。 爱因斯坦认为： ⒈物理对象是一个客观的实在，不以我们是否观察而存在。 ⒉物理对象在我们观察或未观察时，应遵守同样规律。 哥本哈根学派显然违背了这两点。 看来争论涉及的哲学也不可避免。这的确激起了我的兴趣，我需好好考虑一下。天色已晚，我建议我们回去休息考虑一下，明天谈谈这类问题。 欧得、夏普：好，明天见。 (或见jinruimin.home.chinaren.com) |