616.爱因斯坦和玻尔的两次论战

Reader86

爱因斯坦和玻尔的两次论战

微观世界里的事物不能直接观察，只能根据一些试验，自然现象来间接判断那里到底发生了什么事情。有些现象是与宏观世界的常识、逻辑背道而驰的，所以经典物理理论无法解释。物理学家就提出了一些新的理论，来解释这些现象。因为以玻尔（Niels Bohr）为首的哥本哈根派能够用他们自己的理论非常精确地解释试验结果显示出来的量子现象，所以到目前为止，是物理界对量子力学比较权威的诠释。
哥本哈根派的主要观点：

1，互补原理（Complementarity Principle）:  物质的粒子具有波动行为和粒子行为二象，但是不能同时展示出两种行为。（尼尔斯 · 玻尔）

2，不确定性原理（Uncertainty Principle）:  在量子世界里，一个粒子的位置和动量无法同时被确定。∆E ∙ ∆t > h/2π（海森堡）

3，概率性 (Probability principle) :  量子系统的描述是概率性的。一个事件的概率是波函数的绝对值平方。（马克斯·玻恩）

玻尔在1927 年九月的科莫 (Como，伏打，Volta，的家乡)世界物理会议上首次发布了自己的互补原理。这个会议是哥本哈根派的盛会，几乎所有的量子力学的学者都被邀请参加。爱因斯坦和薛定谔别有要务，没有出席。

爱因斯坦虽未出席科莫会议，他的观点明确：不抛弃连续性，不容忍量子论。

早在1900年德国物理学家普朗克 (Max Planck) 在研究黑体（Black－Body）辐射时发现，能量在反射和吸收时，不是象经典物理学假设的那样是连续不断的，而是分成一份一份的。普朗克就这样一不小心就把经典物理学的大厦推倒了，当上了不自愿的量子力学的创始人。

到了1905年，普朗克提出能量子（Elmentarquantum德语, quantum英语）的概念和普朗克常数h（表示能量的基本单位）的论文早被人忘了。正在研究光的产生和转化的爱因斯坦却被量子化的概念所打动。他发现量子化概念与麦克斯韦（Maxwell）电磁理论有冲突。电磁理论认为光是一种波，它的能量用强度来表示。增强光的强度就能够击出高能量的电子。可是由普朗克的公式E＝hv (E, 能量；v，频率) 来看，能量与频率有关。通过试验，增强光的强度只能够击出更多数量的电子，不能增加能量。要更高能量的电子，必须提高照射光线的频率。就是说普朗克的理论与试验结果更相符。爱因斯坦从普朗克的公式出发，推出了自己电子最大动能的公式：1/2mv2= hv – p （1/2mv2 是电子的最大动能，p激发电子的最小能量），来说明光以量子的形式吸收能量，一个量子激发一个对应的电子；不是连续的，不能积累。爱因斯坦把普朗克的理论应用于光电效应理论，进一步发展和推进了“量子”概念，对量子力学作出贡献。

二十多年前，对量子力学的诞生鸣罗开道的爱因斯坦，为了捍卫决定论，已经今非昔比，站在量子力学的对面了。

一个月后，1927年10月，在布鲁塞尔的第五界索尔维会议（Solvay Conference）上，双方都如约而至。会议的主题是电子和光子（photon, 已有美国的G.N. Lewis 创出）。会议的焦点是哥本哈根派的波尔，波恩（Max Born）和海森堡 (Heisenberg) 和他们的死敌－－德布罗意，薛定谔以及他们的后台爱因斯坦－－对量子力学的争论。

讨论很快就变成了爱因斯坦和波尔之间的决斗。根据在场的人回忆，“爱因斯坦象一个弹簧玩偶，每天早上都带着新的主意从盒子里弹出来，而波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。”“爱因斯坦对这些反击提不出反驳，但在心理是不服气的。”爱因斯坦虔诚地相信因果律，不相信上帝会掷骰子，所以不可以被哥本哈根派的概率解释蒙住眼睛。

波恩叹气，“我们失去的我们的领袖。”爱伦费斯特抱怨，“爱因斯坦，我为你脸红！”

这一仗，爱因斯坦败了。但输理不输人，依然沉着从容。波尔看上去没有对手的自信，但他的一生中，从来没有输过一次认真的辩论（我估计，爱因斯坦用逻辑，容易被击破。波尔用的是辩证法，不容易找到破绽）。

三年后，在布鲁塞尔的第六界索尔维会议上，双方又见面了。量子物理方兴未艾，三年前哥本哈根派的年轻人都当了大师，哥本哈根派观点震动了整个物理界。

会上，爱因斯坦冲着不确定性原则出击。他设计出一个思想试验。他说：

有一个盒子，里面有一个发射光子的设备。盒子上有个洞。这个洞上有一个快门，这个快门由一个钟来控制（这个钟可以记录足够小的∆t ），每次开很短时间，只放出一个光子通过。放出一个电子后，箱子里少了一个光子就轻了一些。虽然就轻了一点点，还是可以测量出来轻了∆m，如果放出去的光子重m，根据相对论的公式E＝mc 2 ，就可以算出减少的能量∆E。那么∆E和∆t都很确定，它们的乘积就不大于h/2π ，海森堡的 ∆E ∙ ∆t > h/2π 就不成立。

老练沉着的爱因斯坦应用了他的绝技相对论，好象是一炮击重。玻尔听了一下子就给懵住了。脸色铁青，半天说不出一句话来。离开会场时，爱因斯坦高大伟岸，步幅坚定，带一丝嘲笑。玻尔跟在后面一路小跑。反复唠叨，那个装置要是管用，物理学就完蛋了。

爱因斯坦这一招真的是无懈可击，宣告了不确定性原理的失败？波尔一夜未眠，反复琢磨，苦思冥想。

第二天早上，波尔再到会场的时候，他已胸有成竹。物理学有救了。

波尔说，如果爱因斯坦的思想试验能说明问题的话，那个盒子必须挂在弹簧秤上，放在引力场中。还要有刻度来显示重量。一个光子被释放后，盒子轻了∆m，刻度就位移了∆q。就是说盒子在引力场中移动了∆q。根据爱因斯坦的广义相对论，钟表在低势的重力场中走得慢一些（就是说，重力场中的位置不同，钟表显示的时间不同）注。我们测量了一个准确的∆m后，钟表在重力场中的位置变了，钟表显示的时间就不确定，造成了一个很大的不确定的∆t。也就是说，在爱因斯坦盒子里，我们准确地测量了∆m（或者叫∆E），我们就无法知道 位置 ∆t。这不正是海森堡的不确定性原理律吗？

波尔用了爱因斯坦的理论把爱因斯坦打败了，真的是奇招！波尔对自己的胜利也感到惊奇，自己说在那次大战之前，他对爱因斯坦的相对论还不太理解。

这次该爱因斯坦说不出话了。虽然他承认在严格的科学意义上，哥本哈根派对量子力学的诠释不能被驳倒，但他不认为这种诠释是完善的。

爱因斯坦一直到去世都没有改变他不看好量子力学的立场。他认为，你可以去用物理学来解释世上的一切事物，但是如果没有内在完善，这个解释是徒劳的，是对物理学的背叛。

波尔回答说，物理学的解释应该是和可测量的数量联系在一起，应与所有可观测的事实相符，逻辑上不能自相矛盾。他不承认其它的原则，和其它关于内在完善的指南。在寻求对自然界一个崭新领域的理解中，这样的一个指南不可靠。指望一个熟悉的原则在这个新领域内必然适应也是对物理学的背叛。

注：根据爱因斯坦的广义相对论，引力场影响时空。 引力场导致的时间膨胀可以测量出来。实际上，在高山顶上的值略小于山脚下的值。两个原本同步的原子钟在这两个不同的地方被放置了一段时间后给出了不同的时间。