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[转载]爱因斯坦对玻尔,物理学史上最伟大的交锋(组图)

2015-09-22  棋罢不知...
  原文地址: http://news.163.com/05/1006/00/1VBDEA3A0001121S.html

  爱因斯坦对玻尔,物理学史上最伟大的交锋

  爱因斯坦与玻尔,一位头戴世纪最伟大科学家桂冠,是学者中的学者;另一位是哥本哈根学派的掌门人,同样是一代宗师。在他们的身后,是上世纪最重要的两大物理学理论———相对论和量子力学。他们的这场论战,一波三折,旷日持久,影响波及,几乎所有在世的理论物理学家都被卷入其中。在人类科学史上,曾经发生过许多次重大的学术论战,但论及双方的地位、论战的深入和影响,只有这一次才最有资格被称为巅峰对决。


  1927年的第五届索尔维会议上,爱因斯坦首次向玻尔发动攻势。常常是在早餐的时候,爱因斯坦设想出一个巧妙的思想实验,以为可以难倒玻尔,但到了晚餐桌上,玻尔就想出了招数,一次次化解爱因斯坦的攻势。


  广义相对论中时间弯曲现象的示意图。玻尔正是利用了这一理论回击了爱因斯坦“光子盒”模型的挑战。


  1962年,玻尔去世,他的工作室的黑板上还画着当年爱因斯坦那个光子盒的草图。

  第1回合 爱因斯坦发动攻势

  爱因斯坦与玻尔这场论战的源头要从牛顿说起。

  在20世纪之前,整个物理学尽在牛顿经典物理学的掌控之下,在牛顿的宇宙里,世界就是一个精密的钟表,上帝造好表,上好发条,以后的一切就是确定无疑的。然而进入了20世纪后,牛顿的这座巍峨神殿在新发现的撞击下轰然倒塌了。

  在倒塌的废墟下两个新的门派站了起来,这两个门派,一个是爱因斯坦以一人之力独撑起来的相对论,另一个则是多位大师合力塑成的量子力学。

  不过,这两个门派却无法和谐相处,相对论虽然推翻了牛顿的绝对时空观,却仍保留了严格的因果性和决定论,而量子力学却更激进,抛弃了经典的因果关系,宣称人类并不能获得实在世界的确定的结果,它称自己只有由这次测量推测下一次测量的各种结果的分布几率,而拒绝对事物在两次测量之间的行为做出具体描述。

  正是这一点成了论战的主战场,爱因斯坦深信,物理学规律是关于存在的规律,而不是一些可能性。

  在一些记述中,这场论战往往被过分简化或者美化,说成是正确的某一方击败了另一方,而事实要复杂曲折得多。两人的第一次交锋是1927年的第五届索尔维会议,尽管没有详细的会议记录,但一些回忆录提供了粗略的记述。这次会议可说群贤毕至,对支持量子力学的学者来说更是一次成功的大会,在闭幕式之前的讨论中,量子力学派取得了压倒性的胜利,爱因斯坦一直在旁静坐,没有发言。但是在闭幕式玻尔结束关于“互补原理”的演讲后,提出相对论的天才突然开口了:“很抱歉,我没有深入研究过量子力学,不过我还是愿意谈一些一般性的看法。”

  然后,爱因斯坦用自己研究过的一个关于α射线粒子的例子表示了对之前玻尔等学者发言的质疑,不过他的发言相当温和,甚至没有提及后来双方论战的重点———海森堡的测不准关系和玻尔的互补原理。在爱因斯坦的发言之后,正式会议结束。但在之后几天的时间里,讨论在继续。根据与会人海森堡的回忆,常常是在早餐的时候,爱因斯坦设想出一个巧妙的思想实验,以为可以难倒玻尔,但到了晚餐桌上,玻尔就想出了招数,一次次化解爱因斯坦的攻势。到最后,谁也没有说服谁。

  第一回合,爱因斯坦受到了挫败,但从双方的逻辑立场看,他相信自己占着有利的位置。因为他只要找到一个能够成立的反例,就可以推翻或者至少动摇玻尔的不确定观点,而玻尔无论举出多少证明他的观点成立的例子也无济于事。

  第2回合 “光子盒”无功而返

  之后发生的一件事显然进一步“激怒”了爱因斯坦。

  1929年,玻尔发表了一篇剑走偏锋的论文,用相对论的基本原理同他的量子力学理论相比较,其中说“通过对于观察问题的深入分析,相对论注定要揭露一切经典物理学概念的主观性质”,为他关于“在主体和客体之间不可能保持任何明确分界线”的主张提供佐证。

  早已名满天下的爱因斯坦当然不会容忍这样的“挑衅”。1930年秋,第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开,早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了一个著名的思想实验———“光子盒”。这个实验的装置是一个一侧有一个小洞的盒子,洞口有一块挡板,里面放了一只能控制挡板开关的机械钟。

  小盒里装有一定数量的辐射物质。这只钟能在某一时刻将小洞打开,放出一个光子来。这样,它跑出的时间就可精确地测量出来了。同时,小盒悬挂在弹簧秤上,小盒所减少的质量,也即光子的质量便可测得,然后利用质能关系E=mc2便可得到能量的损失。这样,时间和能量都同时测准了,由此可以说明测不准关系是不成立的,玻尔一派的观点是不对的。

  没有记载显示玻尔第一时间的反应,也许是震愕当场,哑口无言。但是这个同样天才的大脑一样不肯轻易认输,经过了一个夜晚,很可能是一个不眠之夜,玻尔找到了一条路来指点这一似乎天衣无缝的实验的缺陷,而这条路竟然真的是爱因斯坦的相对论!

  光子跑出,挂在弹簧秤上的小盒质量变轻即会上移,而“以彼之道还施彼身”,根据广义相对论,如果时钟沿重力方向发生位移,它的快慢会发生变化,这样的话,那个小盒上机械钟读出的时间就会因为这个光子的跑出而有所改变。换言之,用这种装置来测定光子能量,就不能够控制光子逸出的时刻———回到了测不准关系!

  玻尔就这样戏剧性地回答了爱因斯坦。在一些野史上,这个回合的交锋以下面的对话结束。爱因斯坦对玻尔说:“难道你们真的相信上帝也靠掷骰子办事吗?”玻尔回敬道:“我们不能教导上帝该怎么做!”

  无论如何,爱因斯坦没有被说服,因为玻尔的反驳只是取巧,理论上存在值得商榷之处,因为量子力学的假设不依赖测量过程的性质。不过这次会议多少是个转折点,爱因斯坦终于承认了玻尔对量子力学的解释不存在逻辑上的缺陷,他的主攻方向从找出量子力学的不自洽性,转到证明量子力学的不完备性上了。

  第3回合 EPR佯谬影响深远

  1935年,这场论战达到了它的顶峰,一篇题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》的论文让论战的交战者远远超出了爱因斯坦和玻尔这两人。这篇论文由爱因斯坦、波道尔斯基、罗森三人联名发表,因此其提出的问题日后就被称为EPR佯谬,EPR即三人姓氏的首字母。

  用最简单的话来说,EPR佯谬的关键内容就是,假设一个二体系统,由A和B两部分组成,他们证明,此二体的“动量之和”与“位置之差”是可以同时测准的。然而,量子力学却不能提供同时测准它们的方法。据此,爱因斯坦认为量子力学是不完备的。这篇论文一发表就引起了轰动,爱因斯坦自己曾回忆,他很快收到了许多物理学家的信件,争先恐后地向他指出论证错在哪里,但让爱因斯坦感到有趣的是,他们的理由都各不相同。

  爱因斯坦最关心的回应当然来自于玻尔。在EPR论文发表的第二个月月底,玻尔即在《自然》杂志上发表了一封短信,对EPR表示异议,不久后又发表了一篇与EPR论文同题的正式文章,用微观系统的“整体性”或者“不可分离性”否定EPR的论证,他的这个思路可以借用黑格尔的一段名言阐释,即“全体的概念必定包含部分,但如果按照全体的概念所包含的部分来理解全体,将全体分裂为许多部分,则全体就会停止其为全体”。

  在之后的二三十年中,玻尔的理论占了上风,但是他还是没能说服爱因斯坦。

  EPR的三位作者一直不承认他们的观点有错误,爱因斯坦到了晚年仍然在写文章为自己的观点辩护,批驳玻尔。

  后来,有人想将EPR佯谬的思想实验推进到真实实验,以此来证明孰是孰非。上世纪60年代,英国物理学家约翰·贝尔从数学上推导出了一个贝尔不等式,由此,人们才有可能设计实际的实验来检验量子力学关于远隔粒子量子关联的预言是否正确。70年代末80年代初,物理学家共完成了十几个实验,其中大多数的结果与量子力学的预言一致。但是,如果引入非决定论的随机性,那么上述实验其实只是说明了量子理论是超距关联、非定域的,而没有确定量子理论是决定论的还是非决定论的,上帝是否在掷骰子并无定论。

  1955年,论战的一方爱因斯坦去世,此时,玻尔领导的哥本哈根学派在物理学界的地位正如日中天。但不能说爱因斯坦是这场论战的失败者,在EPR佯谬的启发下,越来越多的物理学家提出观点挑战玻尔的理论,或完善量子力学。到了上世纪七八十年代之后,哥本哈根学派终于丧失了它的正统地位。事实上,EPR佯谬,这柄爱因斯坦70年前铸下的剑,直到今天还在展露锋芒,近年,物理学家开始利用EPR关联进行信息传递和“量子计算”等等可能的实际用途。

  1962年,玻尔去世,他的工作室的黑板上还画着当年爱因斯坦那个光子盒的草图。至死,玻尔还在从他的那位伟大对手那里寻求灵感的光芒。牛文怡

  参考资料:《爱因斯坦的一生》(A派斯著)、《一代神话———哥本哈根学派》(关洪著)、《爱因斯坦传》(杨建邺著)、《量子力学的哲学》(MJammer著)


  补充:来自贴吧 http://tieba.baidu.com/f?kz=3075250299&mo_device=1&ssid=0&from=1000950i&uid=0&pu=sz@1320_1001,ta@iphone_2_4.2_3_534&bd_page_type=1&baiduid=B8BDE7BDE6D03C60743FFC5FD3F52D6E&tj=www_normal_3_0_10_title

  1927年,在比利时布鲁塞尔召开的第五届索尔维会议,因为爱因斯坦与玻尔的大辩论而成为最著名的一次索尔维会议

  大辩论中,玻尔一边的支持者是哥本哈根学派,爱因斯坦一边的支持者是薛定谔和德布罗意等,除了这两派,其他人主要是实验派

  德布罗意被泡利驳倒了,薛定谔被海森堡和波恩驳倒了

  据海森堡的回忆,“讨论很快就变成一场爱因斯坦和玻尔之间的决斗”

  一般在早餐后爱因斯坦就描绘一个思维实验,他认为从中可以清楚地看出歌本哈根诠释的内部矛盾

  一般在晚餐时玻尔就对这些思想实验分析给爱因斯坦听,爱因斯坦对这些分析提不出反驳

  1927年的第五届索尔维会议与1930年的第六届索尔维会议,连续两届索尔维会议上,爱因斯坦都在实验辩论中输给了玻尔

  爱因斯坦非常虔诚地信仰因果律,以致决不能相信哥本哈根那种愤世嫉俗的概率解释

  他坚决地说:“上帝不掷骰子!”

  第七届索尔维会议,因为纳粹的原因,爱因斯坦背井离乡,没有参加

  1935年,薛定谔发表论文《量子力学的现状》,提出了恶梦般的猫实验,以此嘲讽歌本哈根诠释

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