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（一） 1905年的春天，爱因斯坦进入瑞士专利局工作已经3年了。在5月底的一个晚上，爱因斯坦提起了笔，给自己的好友康拉德·哈比希特写了一封信： “我承诺给你寄四篇论文。第一篇是关于辐射和光的能量性质的，很有突破性……第二篇是有关测定原子大小的……第三篇是关于悬浮在液体中尺度约为1/1000mm的微小颗粒的……第四篇论文现在还只是个草稿，涉及运动物体的电动力学，主要是对时间和空间理论做了修改。” 当时的爱因斯坦26岁，1905年因为爱因斯坦的这四篇论文，被称为“爱因斯坦奇迹年”。 爱因斯坦的第二和第三篇论文，主要是通过对于布朗运动的研究，对于分子运动进行了定量式的分析，而他的第四和随后的第五篇论文，则提出了狭义相对论。这些论文，无论哪一篇，都为爱因斯坦赢得了世界性的声誉。 唯有第一篇论文，那篇《关于光的产生和转化的一个试探性观点》，被当时物理学界的大多数人看作是一个荒唐的笑话。 在这篇论文里，爱因斯坦将光看作一个一个离散的量子，也就是我们今天所谓的光量子。爱因斯坦之所以这样猜测，是基于普朗克当时为了解决黑体辐射的紫外灾难问题，而提出了方程E=hv。根据普朗克这个方程，辐射的能量等于频率乘以一个常数h（也就是普朗克常数）。 在普朗克看来，他提出这个方程，完全是一种权宜之计，目的是从数学上解决紫外灾难问题。但这个方程实际的物理含义，普朗克并没有多想。事后，普朗克曾说：“量子化纯粹是一个形式上的假设，除了不论任何代价我必须算出一个确定结果之外，我确实没有对它给予太多的考虑。” 但爱因斯坦却敏锐地意识到，这个方程其实意味着，辐射是不连续的，而是以波包的形式，一个一个地辐射出去，每一个波包的能量E，等于频率乘以h。而这些不连续的、离散的波包，便是光量子。 普朗克对于爱因斯坦的后面几篇论文，全都赞不绝口，他是狭义相对论热情的支持者。然而对于基于他自己的方程而提出的光量子假说，普朗克则不屑一顾。但作为一名前辈，普朗克宽容地表示，这是爱因斯坦作为年轻人犯下的一个小错误：“他的推断有时不一定完全正确，比如光量子假说中的推断，但这不能真的怪他，因为即便是在最精确的科学中，有时如果不冒险尝试一把，是不可能引进真正新颖的观点的。” 即使在1922年爱因斯坦被授予诺贝尔物理学奖的时候，颁奖委员会依然在颁奖词中避免提及光量子这个词，毕竟，这是伟大的爱因斯坦先生犯下的一个小错误。爱因斯坦的传记作者曾写道：“从1905年到1923年，爱因斯坦是唯一一位，或者说几乎是唯一一位，认真对待光量子的人。” 1922年，还有一个人也获得了诺贝尔物理学奖。那就是玻尔。实际上，爱因斯坦获得的是1921年的诺贝尔物理奖，但却直到1922年才授予。在这场诺奖典礼上，所有人的焦点都放在了爱因斯坦身上。毕竟从1905年开始，爱因斯坦已经获得了数次诺贝尔奖的提名，如今终于众望所归得奖了。玻尔的光芒完全被爱因斯坦所遮蔽。 冥冥之中，玻尔注定是要与爱因斯坦纠缠一辈子的人。 （二） 玻尔曾经当过J·J·汤姆逊和卢瑟福的助手。汤姆逊和卢瑟福当时正在比赛看谁能先搞清楚原子结构。汤姆逊想象原子像一个大西瓜，电子就是西瓜子，而正电荷物质就像西瓜瓤，正电荷物质像西瓜瓤一样均匀地包裹住带负电的电子，所以原子呈电中性。而卢瑟福则提出原子行星模型。他认为原子里有一个带正电的原子核，电子就像地球围绕太阳那样，围绕着原子核转动。 无论是汤姆逊还是卢瑟福，他们的原子模型都是不成立的。根据麦克斯韦的理论，任何带电物质，只要运动，就一定会发生辐射，而电子的能量太小太小了。如果电子真的在运动，那么电子会因为辐射而迅速失去能量，旋转跌落进原子核里。 玻尔在汤姆逊手底下没有取得任何进展，于是申请进入卢瑟福的团队。卢瑟福同意接收玻尔，当然条件是汤姆逊同意。两人虽然是竞争关系，但确实都是君子，汤姆逊同意了，当然也是因为，汤姆逊并不喜欢玻尔。 卢瑟福让玻尔想办法找到一个稳定的原子模型，玻尔立刻便想到了普朗克的E=hv方程。也许，电子并非连续性地辐射，而是一个量子一个量子、辐射出离散的能量。与此同时，电子运动的轨道，也不能是任意的，而是按照hv的整数倍排列，电子只能在特定能量轨道上运动。而在轨道与轨道之间，电子则以跃迁的方式变换轨道。 玻尔和爱因斯坦的灵感，都来自于普朗克，而且他们都坚定地相信，能量是以离散的、量子的方式被辐射出去。按理说，两人应该是难得的知己、并肩的战友。但很奇怪，两人的世界观，从一开始就有根本性的区别。 玻尔非常反对爱因斯坦的光量子假说，因为光量子假说会破坏经典的电动力学，这是玻尔保守的一面。但玻尔对基于统计学的概率分析却非常接受，甚至不惜放弃经典物理学的因果关系。而爱因斯坦恰恰相反，爱因斯坦一生都在对经典物理学进行革新，他推翻了牛顿的绝对时间和绝对空间，否定了同时性，又用光量子推翻了经典电动力学。然而，爱因斯坦一生都不愿意放弃经典物理学的因果关系。有果必有因，上帝不会掷骰子，爱因斯坦完全不能接受一件事之所以发生仅仅因为这件事可能发生。 玻尔与爱因斯坦矛盾的激化，就在两人同时拿到诺贝尔物理奖的第二年。1923年，美国物理学家阿瑟·康普顿，发现了“康普顿效应”，也就是光线反弹电子后，光线频率发生了改变。这不是波的行为，而是粒子的行为。 我们可以想象，当水波撞上堤坝，水波被反弹回去，水波的频率是不会改变的。但如果假设光是粒子流，每一个这种粒子都具有爱因斯坦光量子的能量，那么，他得到的计算结果就与他的实验数据完美契合了！ 康普顿效应，让被世人忽视了多年的光量子假说，不得不获得严肃的对待。就连最保守的科学家，也不得不承认，爱因斯坦也许是对的。 但玻尔，即使到了这个时候，他依然是近乎偏执而愚蠢地，用尽一切办法反对光量子。用戴维·林德利的话说：“尼尔斯·玻尔的反应甚至超出了怀疑，表现出了明显的敌意。他的倔强几乎到了愚蠢的地步。他比以往更强烈地坚持认为光量子不可能是真实的，并花一年时间炮制了一个原子发射和吸收的粗糙理论，完全否认光量子在其中的任何作用。” 这个林德利口中的“粗糙理论”，就是BKS理论。 （三） 时间回到1916年。年轻的物理学家亨德里克·克拉莫斯怀着崇敬的心情，敲响了玻尔的家门。克拉莫斯当时刚刚获得物理学学位，但他想了解更多当时正在兴起的量子理论。 很快，克拉莫斯成为了玻尔的助手，他俩是天造地设的一对。沃尔夫冈·泡利，这个玻尔的另一名助手，这样评价克拉莫斯：“玻尔是真主，克拉莫斯是他的使者。”作为物理学界的第一毒舌，很难搞清楚泡利这句话到底是在夸奖克拉莫斯，还是在讽刺克拉莫斯。但毫无疑问，克拉莫斯具有极好的数学基础和敏捷的学习能力，能够快速地把玻尔的思想转化为定量的理论分析。 1921年，克拉莫斯因为研究光谱线中，一些谱线比另一些谱线更亮的原因（振幅强度），而开始构思一个光量子与一个类似电子的粒子相互作用的方式。很快，他得出了一个简单的碰撞定律。根据克拉莫斯的传记作家马克思·德累斯顿的说法，“这与康普顿不久后应用的具有重大意义的定律完全相同”。 克拉莫斯激动地将自己的发现告诉了玻尔，然而玻尔却坚持认为，光量子的想法站不住脚，根本不容于物理学。克拉莫斯的妻子事后回忆说，玻尔一遍又一遍地说服着自己丈夫，最终让克拉莫斯承受不了巨大压力而病倒。 当克拉莫斯出院后，他彻底向玻尔屈服了。克拉莫斯没有发表自己的发现，而是将笔记全部烧毁。而就在他这样做不久，康普顿向全世界公布了这个与他想法非常相似的理论。 克拉莫斯对此的反应如何呢？克拉莫斯变得跟玻尔一样，疯狂而偏执地攻击康普顿的理论。而且，玻尔和克拉莫斯很快还找到了第三位同盟者，一个不情不愿、误上贼船的同盟者。 1923年的秋天，美国物理学家约翰·斯莱特前往欧洲游历，来到了玻尔所在的哥本哈根。斯莱特本人是接受爱因斯坦光量子理论的，但他依稀看到了一种可能性：既能保持光的波动学说，同时保留光量子的地位，光既是波，也是粒子，这二者其实是可以共存的。 斯莱特将自己的想法告诉了玻尔，玻尔大感兴趣，但他感兴趣的点，仅仅在于保持波动学说这个部分，而对于光量子部分毫无兴趣。玻尔将斯莱特留了下来，与克拉莫斯一起，开始对斯莱特的理论进行改造。斯莱特满怀期待地给家人写了封信，表达了因为自己的想法受到玻尔这样一位大人物的认真对待而感到振奋的心情。 1924年1月，论文完成并发表，作者署名为玻尔（B）、克拉莫斯（K）、斯莱特（S），即BKS理论。 （四） BKS理论用一种辐射场取代了光量子，也能解释康普顿效应，但问题是，代价也挺大的。BKS理论想要成立，一个不得不付出的代价就是，必须放弃动量守恒和能量守恒原则。玻尔对此表示接受，他提出能量守恒只是统计取平均的结果。这是玻尔性格中奇妙的地方。他觉得光量子对于经典电动力学是一种大逆不道的存在，却愿意用统计学的概率分析，轻而易举地抛弃掉能量守恒原则。 爱因斯坦被彻底激怒了。他评价BKS理论“相当武断”，甚至“令人厌恶”。爱因斯坦在给马克思·玻恩的一封信中说，如果BKS理论被证明为真，“我情愿当一个修鞋匠甚至赌场工人，也不愿当一名物理学家”。幸运的是，BKS理论很快就被实验证明是错误的了，所以爱因斯坦不需要去当修鞋匠或者赌场工人。 1925年春，玻尔承认了BKS理论破产，但“死的光荣”。而也是1925年，法国物理学家路易·德布罗意在法国科学期刊《物理纪事》上发表了自己的论文，提出了波粒二象性的观点。终于有人开始提出，光既可以是波，也可以是粒子，二者其实并不矛盾。而这个观点，原本斯莱特是有可能提出的。 斯莱特后来说，他终其一生，都为自己的想法遭到玻尔如此的损坏而感到痛苦，自己的想法被玻尔揉进了一个他并不真正赞同的理论中。至于克拉莫斯，在BKS理论被证明彻底破产后，他陷入了抑郁症之中，这个聪明的物理学者，在他之后的一生中，再也没有为物理学做出什么有用贡献了。 克拉莫斯离开后，玻尔又招了一位新助手。那是一个来自德国的年轻小伙子。当时的德国，希特勒刚刚因为参与啤酒馆暴动而被判处五年监禁，整个德国已经陷入到经济和政治的动荡之中。这名德国小伙子，想要在科学上，重新竖立起德国的尊严。他的名字叫海森堡。 根据今天的物理史学家的观点，BKS理论，是将量子力学与经典物理学相融合的最后一次尝试。BKS理论的失败，标志着量子力学必须彻底抛弃经典物理学，重新建立自己的理论基础。而海森堡最终与玻尔一起，通过矩阵力学、不确定原理、互补性原理，建立起了与经典物理学完全不同的、全新的量子力学理论体系。 这套被今天称为“哥本哈根解释”的量子力学理论体系，融合了玻尔的概率论世界观，量子的波动性被看作是一种概率波。就像玻尔一直无法接受爱因斯坦的光量子理论一样，爱因斯坦的后半生，也一直在与玻尔的“哥本哈根解释”进行着斗争，爱因斯坦无论如何都无法接受，作为这个世界最基础构成的量子，其运行规则完全是基于概率的随机性。然而这一次，正确的人似乎变成了玻尔。 爱因斯坦和玻尔，这两个同时被普朗克所启发的少年才俊，却因为不同的世界观，最终走向了不同的两条路。他们一生都互相尊敬，同时也互相攻击着对方的理论。 |
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来自： 吕杨鹏 > 《20230123-20230129》
