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愛因斯坦和玻爾的偉大論戰(zhàn)

 mingmu888 2017-06-06

很多人都知道愛因斯坦有句名言叫做:“上帝擲骰子嗎?”這個(gè)問題是針對量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理提出的,,具體來承擔(dān)這個(gè)問題之矛的人就是玻爾,。而玻爾的反駁則是:“不要告訴上帝該怎么做!”對于這兩位世界級(jí)的物理學(xué)家,,光是耍貧嘴可不能說服眾人 ,,在他們之間上演了一波三折的論戰(zhàn)。這場論戰(zhàn)本質(zhì)上是愛因斯坦的相對論跟玻爾的量子力學(xué)之間的對抗,,現(xiàn)在看來,,兩種理論其實(shí)并非針鋒相對,而是相輔相成的,。

量子物理從布朗克解決黑體輻射開始,,經(jīng)歷了一段頗為戲劇化的發(fā)展。跟基礎(chǔ)物理可以用眼睛看到用儀器觀測到的現(xiàn)象不同,關(guān)于量子,,一開始仿佛就打上了幽靈的標(biāo)簽,。尤其是是海森堡測不準(zhǔn)原理,指出了量子的不穩(wěn)定性,。玻爾站在海森堡身后大張旗鼓,,而愛因斯坦則深信,物理學(xué)規(guī)律是關(guān)于存在的規(guī)律,,不可能只是一些可能性,。可以說,,這場關(guān)于相對論和量子力學(xué)的論戰(zhàn)有一定的必然性,。

 

愛因斯坦和玻爾

 

1927年第五屆索爾維會(huì)議,兩個(gè)人開始第一回合交鋒,。

這場會(huì)議,,物理界基本上能叫出名字的人物聚集一堂,會(huì)議由電子論的創(chuàng)立者洛倫茲擔(dān)任,,德布羅意和薛定諤先后發(fā)言,,然后海森堡和玻爾在他們基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展,,指出量子力學(xué)是一個(gè)完備的理論,,它的基本的物理和數(shù)學(xué)假設(shè)是不容許加以進(jìn)一步修改的。玻爾尤其強(qiáng)調(diào)了互補(bǔ)原理和對量子力學(xué),。之后,,與會(huì)人員開始對此進(jìn)行討論。但愛因斯坦始終保持沉默,,并不參與其中,。一直到最后,玻爾點(diǎn)名請求愛因斯坦對此發(fā)表意見,。愛因斯坦站起來表示贊同量子力學(xué)的系統(tǒng)幾率解釋,,而不贊成把量子力學(xué)看成是單個(gè)過程的完備理論的觀點(diǎn)。愛因斯坦的地位是不容置疑的,,他的反對從某種程度上來說,,可以代表一般物理學(xué)的反對。

玻爾跟愛因斯坦的爭論從此正式打響,。

一開始,,玻爾十分想把愛因斯坦吸引過來,他不斷地贊揚(yáng)愛因斯坦對物理學(xué)的貢獻(xiàn),,是他第一個(gè)自覺地突破了經(jīng)典物理學(xué)的框架,,提出了相對論和光量子理論;是他在1905 年第一次提出了光的波粒二象性的重要思想;是他把幾率概念引進(jìn)了對輻射問題的解釋之中,。玻爾最后的落腳點(diǎn)是希望他能接受更新的量子力學(xué)觀點(diǎn),,把理論向前推進(jìn)一步。

愛因斯坦非但不為所動(dòng),,并且開始主動(dòng)出擊,,希望能用實(shí)驗(yàn)來說話,這是反擊的最好證據(jù),。但是在當(dāng)時(shí)的情況下,,制造實(shí)驗(yàn)所需的工具和觀測顯然不切實(shí)際,愛因斯坦則另辟蹊徑,,使用一系列思想實(shí)驗(yàn)來對此進(jìn)行反駁,。

根據(jù)當(dāng)事者之一海森堡的回憶,那段時(shí)間,,愛因斯坦總是在吹早飯的時(shí)候告訴玻爾他于前一天夜里想到的思想實(shí)驗(yàn),,以此來否定測不準(zhǔn)原理,而玻爾則跟他的小伙伴們用一天的時(shí)間來解決愛因斯坦拋來的問題,,在吃晚餐的時(shí)候予以回?fù)?。這段時(shí)間,愛因斯坦提出了讓電子通過單狹縫衍射的實(shí)驗(yàn)和一個(gè)雙縫干涉實(shí)驗(yàn),,但是都被玻爾一一化解,。事實(shí)證明,愛因斯坦提出那些實(shí)驗(yàn)反而從另一方面驗(yàn)證了測不準(zhǔn)的原理,。因?yàn)閻垡蛩固沟某掷m(xù)失敗,,讓本來站在他這邊的德布羅意轉(zhuǎn)到了玻爾的陣營。

 

索爾維會(huì)議合影:第三排:奧古斯特·皮卡爾德,、E. Henriot,、保羅·埃倫費(fèi)斯特、Ed. Herzen,、Théophile de Donder,、歐文·薛定諤、E. Verschaffelt,、沃爾夫?qū)づ堇?、沃納·海森堡、R.H.福勒,、里昂·布里淵,,

第二排:彼得·德拜、馬丁·努森,、威廉·勞倫斯·布拉格,、Hendrik Anthony Kramers、保羅·狄拉克、亞瑟·康普頓,、路易·德布羅意,、馬克斯·波恩、尼爾斯·玻爾,,

第一排:歐文·朗繆爾,、馬克斯·普朗克、瑪麗·居里,、亨得里克·洛侖茲,、阿爾伯特·愛因斯坦、保羅·朗之萬,、Ch. E. Guye,、C.T.R.威爾遜、O.W.里查森

 

兩個(gè)人交鋒的第一回合,,以愛因斯坦的失敗告終,。

如果說第一回合,兩個(gè)人還只是在學(xué)術(shù)上的往來,,接下來玻爾做的一件事徹底激怒了愛因斯坦,。

1929年,《自然科學(xué)》周刊組織了普朗克專號(hào),,玻爾發(fā)表了一篇名為《作用量子和自然的描述》的文章,,從三個(gè)不同的方面,把他的方法與愛因斯坦的相對論作了比較,,希望借此來改變愛因斯坦的觀點(diǎn),。玻爾指出,,測不準(zhǔn)關(guān)系的限制保證了量子力學(xué)邏輯無矛盾性,,也如同信號(hào)不能超越光速傳遞來保證相對論的邏輯無矛盾性一樣。

1930年秋天,,第六屆索爾維會(huì)議如期召開,,此次會(huì)議的主席換成了朗之萬。會(huì)議的主題是“物質(zhì)的磁性”,,但是人們顯然把目光都放在了愛因斯坦和玻爾關(guān)于量子力學(xué)的論戰(zhàn)上,。

這次,愛因斯坦經(jīng)過三年的準(zhǔn)備,,一開始便先發(fā)制人,。這次他使用的武器仍然是他所擅長的思想實(shí)驗(yàn),而且加上了他更加擅長的相對論來保駕護(hù)航,。愛因斯坦提出了著名的“光子箱”思想實(shí)驗(yàn),。他提出用相對論的方法,來實(shí)現(xiàn)對單個(gè)電子同時(shí)進(jìn)行時(shí)間和能量的準(zhǔn)確測量。愛因斯坦沉著地在黑板上畫了一個(gè)“光子箱”思想實(shí)驗(yàn)的草圖,,然后向玻爾等人宣布了自己的實(shí)驗(yàn)原理,,得出放出一個(gè)粒子準(zhǔn)確的時(shí)間和能量都能準(zhǔn)確測得的結(jié)論。這與海森堡的不確定性原理完全相悖,,準(zhǔn)確性和因果性獲得了完整的表達(dá),。

 

光子箱實(shí)驗(yàn)構(gòu)想圖

 

這一回,玻爾遇到了嚴(yán)重挑戰(zhàn),。他聽到這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí),,多年來的物理素養(yǎng)便感到了十分抗拒的反饋,他知道自己無法挑出這個(gè)實(shí)驗(yàn)的漏洞,、找出這個(gè)問題的答案,。看起來,,愛因斯坦仿佛已經(jīng)被勝利的曙光照耀,。當(dāng)天夜里,玻爾和他的同事們一夜沒合眼,。玻爾堅(jiān)信測不準(zhǔn)原理正確無誤,,但愛因斯坦的破綻卻不是那么容易就能找到的,否則他就不叫愛因斯坦了,。他們逐一檢查了愛因斯坦實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)步驟,,通宵奮戰(zhàn),最終找出了反駁愛因斯坦的辦法,。

第二天上午,,玻爾也畫了一幅“光子箱”思想實(shí)驗(yàn)的草圖,利用實(shí)驗(yàn)本身進(jìn)行反擊,。愛因斯坦“光子箱”實(shí)驗(yàn)利用的是狹義相對論,,但玻爾卻用愛因斯坦創(chuàng)立的廣義相對論進(jìn)行了有效的反擊,給出了運(yùn)用廣義相對論原理的數(shù)學(xué)證明,。這次愛因斯坦徹底傻眼了,,這簡直是搬起石頭砸了自己的腳。

 

玻爾

 

第三回合的較量于1935年到來,,愛因斯坦,、波道爾斯基和羅森三人聯(lián)名發(fā)表了EPR 文章,從量子理論的完備性上來進(jìn)行反擊,。已經(jīng)贏了兩輪的波爾欣然迎戰(zhàn),,這次雙方爭辯的中心是對“物理實(shí)在”的理解,實(shí)際上是對微觀世界特殊規(guī)律的認(rèn)識(shí)問題,。這次爭論誕生了著名的EPR佯論,。

愛因斯坦和玻爾分別于1955年和1962年先后去世,,但是這場涉及物理學(xué)及科學(xué)哲學(xué)的大論戰(zhàn)仍在繼續(xù)。這場論戰(zhàn)并沒有誰輸誰贏這么簡單的定義,,而是推動(dòng)了相對論和量子力學(xué)兩大學(xué)術(shù)領(lǐng)域的共同發(fā)展,。這場論戰(zhàn)不僅有其存在的必然性,更有其存在的必要性,!

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