|
作者：张天蓉 1933年，正值纳粹上台、战火纷飞，但第七次索尔维会议仍然按时在布鲁塞尔召开。早前的第五和第六次索尔维会议，革新派和经典保守派之间谁也没有说服谁，使得索尔维会议成为了玻爱之争的论战平台。 然而，爱因斯坦和普朗克都未能参加这次会议。因为爱因斯坦是犹太人身份，他被赶出了欧洲，这时的爱因斯坦正忙于辗转迂回走访美国。普朗克那年已经74岁，作为一个德国人，他的传统意识决定了他对国家无条件忠诚。 参加这次索尔维会议的经典保守派只有德布罗意和薛定谔。双龙无首，他们两人都不想在会上发言，这令玻尔大大松了一口气。而出席会议的其他人员，除了居里夫人、朗之万、卢瑟福等不感兴趣两派之争的老将外，大多是热衷量子力学的年轻人，包刮海森堡、泡利、狄拉克、费米、克拉默斯等。因此，会议就成了哥本哈根派唱独角戏，似乎看起来量子论已经根基牢靠，论战尘埃落定。 其实不然。爱因斯坦即使是漂泊到了异国他乡，而且他的妻子身染重病，但他依旧在苦苦思索量子力学的理论问题。如何诠释量子力学？这令他头疼脑热，牵肠挂肚，是一个难治的心病。 1933年底，爱因斯坦成为普林斯顿高等研究院的常驻教授，他给自己招了两名助手：鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky，1896年－1966年）和纳森·罗森（Nathan Rosen，1909年－1995年）。波多尔斯基是一名生于俄国的犹太人，于1911年移民美国，1928年获加州理工学院博士学位，1930年至1933年回苏联曾在乌克兰物理技术研究所担任理论物理主任。罗森是出生于纽约布魯克林的犹太人，就读于MIT，开始学习电机工程，之后转行物理获得博士学位（罗森的妻子汉娜是一位出色的钢琴家，曾为爱因斯坦的小提琴演奏伴奏.）。 在一次传统的茶会上，罗森向爱因斯坦提到了他1931年做过的一个关于氢分子基态的工作，其中涉及到与两个粒子相关的波函数。爱因斯坦立即得到启发，想到了他与玻尔的长期分歧。他意识到可以由此设计一个思想实验，从而凸显出量子力学理论不完备的问题。当他们俩讨论这个问题时，波多尔斯基也参与了其中，他提议写一篇文章，得到了爱因斯坦的默许。 出于语言的原因，爱因斯坦和他的两名助手共同提交给《物理评论》的论文由波多尔斯基执笔。人们将其称为EPR论文——“EPR”是3位作者名字的第一个字母。 EPR论文的三位作者 爱因斯坦起初对波多尔斯基的能力非常欣赏，但对他所写的EPR论文却不是十分满意。爱因斯坦认为“不是我最初想要的那样”，但同意出版。后来，波多尔斯基同时在《纽约时报》发表了一篇有关EPR论文的预告，以某种方式暗示作者们发现了量子力学的瑕疵。爱因斯坦为此很生气，认为波多尔斯基过于夸大。他提出声明：“我的一贯做法是仅在适当的论坛上讨论科学问题，我不赞成在世俗媒体中提前发布有关此类问题的任何公告。” 爱因斯坦并非是一个头脑僵化的老顽固。实际上，他在不停地修正他自己对量子力学的看法。虽然他最难以接受概率诠释，但在1931年，他已经承认，当应用于多个粒子构成的统计系综时，概率诠释是正确的。不过，他无论如何也不同意对单个粒子行为的概率描述。 与玻尔有过两次交锋之后，爱因斯坦不得不承认量子力学在逻辑上是自洽的。因为判定一个物理理论正确与否，要看它与实验符合的程度。既然量子力学得到了精确的实验验证，就足以说明其正确性，因而爱因斯坦也不得不承认量子力学是正确的。 但是，爱因斯坦总觉得量子力学有什么地方不对劲，特别是那个不确定性原理。他认为：量子力学是正确的、或许也是逻辑自洽的，但并不完备。 “EPR”就是要指出量子力学的不完备性，所以文章的标题是：《描述物理实在的量子力学是完备的吗？》。 要证明量子力学不完备，首先需要解释“完备性”（completeness）。EPR认为，一个完备的物理理论必须满足一个必要条件：“物理实在的每个元素都必须在理论中有它的对应物。” 那么，什么是“物理实在”（或称客观实在）？EPR给出客观实在的判断标准是：如果在（不扰动系统的合理前提）下，可以准确地预测某个物理量，这个物理量就应该在完备的理论中有它的（能被准确预测）的对应物。 这里所谓的不扰动系统的合理前提，实际上就是爱因斯坦等人经常强调的局域实在性。 EPR论文中所提到一个思想实验，之后被薛定谔命名为“量子纠缠”。这个现象与“局域实在性”有关，被爱因斯坦形容为“鬼魅般的超距作用”。 如何理解量子力学理论，薛定谔是爱因斯坦最忠实的信徒。1934年，薛定谔曾经到普林斯顿大学讲学（校方希望聘请他，但薛定谔拒绝了）。在EPR悖论一文发表之后，薛定谔与爱因斯坦经常书信往来。1935年8月，薛定谔在信中提及了一个火药处于爆炸与不爆炸“叠加态”的经典思想实验案例，后来被薛定谔发展完善后用“死活”状态叠加的“猫”来描述，此即著名的“薛定谔猫”。 “薛定谔猫”用以比喻量子力学对单个粒子“叠加态”的概率解释，亦即在测量之前粒子的状态是不确定的，可能的本征态是以一定的概率叠加起来的。如果所考虑的是不止一个粒子的系统，则除了本征态叠加之外，粒子和粒子之间还有互相关联，量子纠缠就是描述这种关联。 图：两个粒子的量子纠缠 考虑一个不稳定的大粒子衰变成两个同样的小粒子A和B，它们获得了动能，分别向相反的两个方向飞出去，二者的位置和动量都保持等值反号，这两个粒子A和B就构成了量子纠缠态。A和B相距会越来越远，越来越远……，但根据守恒定律，无论相距多远，只要不与“第三者”发生相互作用，它们的速度（位置）将永远相等反向。如果观察者甲和乙（爱丽丝和鲍勃）分别在两边对这两个粒子进行测量，当甲测量粒子A的速度（动量），他知道A的速度后也就知道了B的速度，也就是说乙在另一边无需再测量B的动量，只需要精确地测量B的位置。这意味着B在某一时刻的位置和动量可以由A来精确定义，也就是与“不确定性原理”相悖。这就是后来被人们所称的EPR佯谬。 位置和动量都是客观实在，但量子力学不能给出它们确定的值，这说明在“局域实在性”的前提下量子力学是不完备的。 EPR论文的发表在物理学界掀起了一阵风浪。泡利要求海森堡撰写了一篇反驳的草稿，但因为玻尔已经代表哥本哈根派表态了，海森堡的文章就没有发表。 面对爱因斯坦的第三次挑战，玻尔不敢怠慢。他立即放下手中所有其它的工作，认真阅读和思考EPR提出的问题。这时的玻尔已经不是前两个回合那般地手脚无措，他深思熟虑之后，很快就明白了爱因斯坦的症结所在。几个月后，玻尔以同样的标题在《物理评论》发表文章，更加详细地阐明了他的“互补性原理”，反驳了EPR关于物理实在性的描述。 玻尔认为EPR提出的关于物理实在性的判据是站不住脚的。在玻尔看来，量子现象是一种整体性的概念，测量手段会影响物理系统的波函数，只有在完成测量以后，物理现象才能称得上是一个现象。EPR文章中描述的A粒子和B粒子的双粒子纠缠态，是一个相互联系的整体，对其中任何一个粒子的测量，必定会扰动原先作为整体的另一个粒子的状态。因此，EPR的论证不能说明量子力学的不完备性。 总之，EPR论证未被玻尔接受，玻尔的反驳也不能令爱因斯坦信服，他们围绕量子力学理论的论战已经上升到哲学层面，最后只能各自保留不同的观点。每个人哲学观不尽相同，那是根深蒂固的，难以改变的。 爱因斯坦最后被他自己提出的量子纠缠所纠缠。在之后的二三十年中，玻尔的理论占了上风，量子论如日中天，它的各个分支高速发展，给人类社会带来了伟大的技术革命。可是爱因斯坦仍然固执地坚持他的经典信念，反对哥本哈根对量子论的诠释。 |
|
|
