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量子力學(xué)與非決定論----愛(ài)因斯坦和玻爾半個(gè)世紀(jì)的爭(zhēng)論愛(ài)因斯坦和玻爾圍繞量子力學(xué)問(wèn)題的爭(zhēng)論是科學(xué)認(rèn)識(shí)史上最著名的爭(zhēng)論。這場(chǎng)爭(zhēng)論之所以發(fā)生,，是因?yàn)榭茖W(xué)研究深入到微觀領(lǐng)域后出現(xiàn)了許多新情況,，引出了一系列需要解釋的問(wèn)題，迫使科學(xué)家要改變長(zhǎng)期以來(lái)形成的傳統(tǒng)觀念,。愛(ài)因斯坦和玻爾爭(zhēng)論的過(guò)程可以分為四個(gè)階段,，下面依次敘述四個(gè)階段的爭(zhēng)論情況。1927年前分歧潛在地存在著1927年以前,，分歧是存在的,。具體表現(xiàn)在：愛(ài)因斯坦不愿意放棄因果性，玻爾堅(jiān)持的是統(tǒng)計(jì)性,；玻爾完全贊同量子力學(xué)的觀點(diǎn),，愛(ài)因斯坦在1926年還認(rèn)為，量子力學(xué)固然是堂皇的,，可是有一種內(nèi)在聲音告訴我,，它還不是那么真實(shí)的東西。這理論說(shuō)得很多,，但是一點(diǎn)也沒(méi)有真正使我們更加接近于“上帝”的秘密,。我無(wú)論如何深信上帝不是在擲骰子；愛(ài)因斯坦堅(jiān)持光的粒子觀和波動(dòng)觀的統(tǒng)一,，玻爾則傾向于光的經(jīng)典波動(dòng)理論,；玻爾不在乎引用幾率，不在乎背離動(dòng)力學(xué)的基本原理,，愛(ài)因斯坦則不同意這一切,。另外，也有一些事實(shí)表明,，兩人觀點(diǎn)的對(duì)立是有深刻的內(nèi)在根據(jù)的,。1913年，玻爾提出原子結(jié)構(gòu)模型,，當(dāng)愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)這個(gè)理論正是他認(rèn)為的那種“搖晃不定,、矛盾百出的基礎(chǔ)”時(shí)，他說(shuō)什么也不能理解,。他稱此為奇跡,，比喻為“這就像一個(gè)人腳下的土地被抽掉了，使他看不到哪里有可以立足的鞏固基地”,。根據(jù)M．J．克萊茵（M．J．Klein）的看法,，玻爾也曾一度拒絕過(guò)光量子概念,。1923年，康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)對(duì)光的粒子說(shuō)是一次有力的支持,。它迫使玻爾采取斷然措施,，這就是1924年與克拉默斯（H．A．Kramers）、斯萊脫（J．C．Slater）聯(lián)合發(fā)表的論文：《輻射的量子理論》,。文章完全拋棄了愛(ài)因斯坦關(guān)于輻射的量子觀點(diǎn),，寧愿放棄守恒原理，也不肯承認(rèn)光量子概念,。直到1925年,，玻爾才把愛(ài)因斯坦的光子概念以統(tǒng)一在波粒二象性的框架內(nèi)的形式加以接受。思想實(shí)驗(yàn)使?fàn)幷摪l(fā)展為第二階段1927年10月24日～29日,，在布魯塞爾召開了第五屆索爾威（Solvay）會(huì)議,，愛(ài)因斯坦應(yīng)邀出席。會(huì)議的原定主題是“電子和光子”,。但由于玻恩和海森堡在報(bào)告中提出了測(cè)不準(zhǔn)原理,。由此引發(fā)出非決定論是“天生存在于自然定律中的”和“量子力學(xué)是一種完備的理論；它的基本的物理假說(shuō)和數(shù)學(xué)假說(shuō)是不能進(jìn)一步加以修定”兩個(gè)結(jié)論,，這就和愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)相抵觸,。正是在這種背景下，愛(ài)因斯坦站起來(lái)發(fā)言了,，第一次公開爭(zhēng)論的序幕拉開了,。愛(ài)因斯坦的發(fā)言主要是指出量子力學(xué)在邏輯上是不能自洽的，特別是他的統(tǒng)計(jì)性解釋違背了相對(duì)論的近距說(shuō),。他描述了如下的實(shí)驗(yàn)（如圖2—45）：設(shè)S是一個(gè)壁障，它上面開有一個(gè)不大的孔,。P是半徑很大的半球面形照相膠片,，假定電子沿箭頭所指的方向射向S。它們通過(guò)小孔后可進(jìn)入半球形空腔內(nèi),，并在半球形的底片上留下電子到過(guò)的“痕跡”,，究竟哪一點(diǎn)可拍下電子的“痕跡”，量子力學(xué)認(rèn)為是“幾率性的”,，任何一點(diǎn)都可能出現(xiàn)電子圖像,。可粒子尚未定位之前,，幾乎是以恒定的幾率潛在地出現(xiàn)在整個(gè)底片上,，但電子只能在某一點(diǎn)上出現(xiàn)。這樣,，一旦電子在底片上某一點(diǎn)處出現(xiàn),，就在一瞬間影響了底片上其它各點(diǎn)處的情況,，使其它各點(diǎn)的幾率全為零。由于設(shè)想這個(gè)裝置很大,。電子從未接觸底片到接觸底片的一瞬間就要通過(guò)很大的距離,。這必然要承認(rèn)一種作用，它的傳遞不需要時(shí)間,，這就是特殊的超距作用,。相對(duì)論證明，這種超距作用是不存在的,，所以量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)解釋是不自洽的,。在愛(ài)因斯坦看來(lái)，“這個(gè)困難是無(wú)法克服的”,。為了回答愛(ài)因斯坦的批判性分析,，玻爾分別考慮了小孔帶有快門和不帶快門兩種情況和相應(yīng)的條件，最后得到和測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系相一致的結(jié)論,。這樣愛(ài)因斯坦也只好承認(rèn),，用確定位置坐標(biāo)的同一系統(tǒng)來(lái)精確測(cè)量動(dòng)量傳遞是不可能的。1930年10月20日～25日,，在布魯塞爾召開的第六屆索爾威會(huì)議上,，愛(ài)因斯坦經(jīng)過(guò)精心準(zhǔn)備，提出了著名的光子盒實(shí)驗(yàn),，把爭(zhēng)論進(jìn)一步引向高潮,。設(shè)有一個(gè)不透明的盒子用彈簧掛在支架上（如圖2—46）。盒內(nèi)裝有計(jì)時(shí)裝置以控制一個(gè)快門,。正對(duì)著快門的盒面上開有一孔,。盒上與開孔相對(duì)的一面有一指針，指向支架桿上的刻度,，借此可測(cè)定整個(gè)盒子的重量,。設(shè)想當(dāng)快門從時(shí)刻t1到時(shí)刻t2打開的瞬間，有一個(gè)光子從盒子中跑出,。按質(zhì)能關(guān)系式E＝mc2,，光子發(fā)射前后盒子的質(zhì)量變化可以精確測(cè)定。這個(gè)質(zhì)量差就是發(fā)射的光子的能量,。同時(shí)根據(jù)計(jì)時(shí)裝置又可準(zhǔn)確地確定光子的發(fā)射時(shí)刻和達(dá)到遠(yuǎn)處屏上的時(shí)間,。這樣，按照愛(ài)因斯坦的想法,，關(guān)于能量和時(shí)間的測(cè)不準(zhǔn)原理似乎就難于成立了,。玻爾聽(tīng)后有點(diǎn)坐不住了，散會(huì)休息時(shí)他好像掉了魂一樣，嘴里不住地說(shuō),，如果愛(ài)因斯坦對(duì),，物理學(xué)完蛋了。如果說(shuō)愛(ài)因斯坦的進(jìn)攻大大出乎玻爾的意料,，那么玻爾對(duì)愛(ài)因斯坦的回答也是愛(ài)因斯坦沒(méi)有想到的,。玻爾是用愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論來(lái)反對(duì)愛(ài)因斯坦的。根據(jù)廣義相對(duì)論,，在光子發(fā)射的前后,，光子盒有一個(gè)重量的變化，使光子盒在引力方向上有一段距離為△q的移動(dòng),，這種移動(dòng)就會(huì)改變時(shí)鐘的快慢,。所以當(dāng)用尺子測(cè)彈簧秤讀數(shù)時(shí)，時(shí)間就不能精確測(cè)量了,。如要精確測(cè)量時(shí)間,，就要排除引力場(chǎng)，但這樣一來(lái),，光子盒的重量就測(cè)不出來(lái)了,，質(zhì)量的變化也就測(cè)不出來(lái)了。是廣義相對(duì)論表明,，△E和△t不能同時(shí)精確測(cè)定,。愛(ài)因斯坦只好承認(rèn)玻爾答辯的合理性。但并沒(méi)有被說(shuō)服,，只是由此改變了策略,，其表現(xiàn)就是1935年和別人一起合寫的那篇文章中提出的論點(diǎn)。EPR悖論把爭(zhēng)論引向第三階段哥本哈根學(xué)派認(rèn)為,，量子力學(xué)對(duì)“原子客體”的描述是完備無(wú)遺的,，對(duì)此愛(ài)因斯坦表示懷疑。1935年,，他和玻多爾斯基（B．Podolsky）,、羅森（N．Rosen）在美國(guó)《物理學(xué)評(píng)論》（physical Review）上聯(lián)合發(fā)表“能認(rèn)為量子力學(xué)對(duì)物理實(shí)在的描述是完備的嗎？”的論文,。向哥本哈根學(xué)派的“完備性”觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑。愛(ài)因斯坦三人在文章中提出了如下假想實(shí)驗(yàn)來(lái)闡述他們的觀點(diǎn),。設(shè)有兩個(gè)系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ,，假定它們?cè)诖_定時(shí)刻t0以前的狀態(tài)是已知的，t0至T這段時(shí)間間隔內(nèi),，這兩個(gè)系統(tǒng)彼此之間曾發(fā)生相互作用,，然后，由于某種相互作用的結(jié)果,，Ⅰ和Ⅱ在空間被分隔開來(lái),，以至可以認(rèn)為它們之間不再發(fā)生任何相互作用,。根據(jù)薛定鍔方程，我們可以算出聯(lián)合系統(tǒng)（Ⅰ+Ⅱ）在以后任何時(shí)刻的狀態(tài),。如果我們?cè)赥以后的某時(shí)刻,，對(duì)一個(gè)系統(tǒng)（例如系統(tǒng)Ⅰ）進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)而確定表征該系統(tǒng)性質(zhì)的一個(gè)物理量A1,，這時(shí)因Ⅰ和Ⅱ無(wú)相互作用,，某些守恒定律（如動(dòng)量、自旋）得以發(fā)生作用,，我們不對(duì)系統(tǒng)Ⅱ進(jìn)行任何測(cè)量,，直接根據(jù)對(duì)Ⅰ測(cè)量的結(jié)果和守恒定律，就能替系統(tǒng)Ⅱ算出一個(gè)確定的相應(yīng)的物理量A2,。同樣,，我們可以放棄測(cè)量A1的打算，轉(zhuǎn)而決定測(cè)量系統(tǒng)Ⅰ的另一不與A1對(duì)易的物理態(tài)B1,，由此又能不干擾系統(tǒng)Ⅱ而立刻確切預(yù)言系統(tǒng)Ⅱ的對(duì)應(yīng)于另一態(tài)的物理量B2,。在愛(ài)因斯坦等人看來(lái)，可以在不干擾的情況下對(duì)系統(tǒng)Ⅱ的x,、p作出精確描述,，而Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)系統(tǒng)就可同時(shí)具有準(zhǔn)確的x,、p,，這也和量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理相矛盾，所以不完備,。玻爾很快回答了愛(ài)因斯坦的挑戰(zhàn),。他抓住了佯謬提出方式上的兩個(gè)弱點(diǎn)。首先,，玻爾認(rèn)為,，愛(ài)因斯坦等提出的判據(jù)是不能令人滿意的。說(shuō)“對(duì)系統(tǒng)不作任何干擾”這不可能,，因?yàn)樵诹孔恿W(xué)中,，兩個(gè)粒子才構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，它們被同一個(gè)波函數(shù)所聯(lián)系,，我們作用于其中一個(gè)粒子,，它就能作用于整個(gè)體系。這就是玻爾對(duì)量子力學(xué)中整體性的新理解,。另外,，玻爾認(rèn)為，在量子論的范圍中，只有那些其數(shù)值是在現(xiàn)實(shí)的測(cè)量過(guò)程中被記錄下來(lái)的量才具有實(shí)在性,。所以對(duì)于一個(gè)沒(méi)有進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)作出的坐標(biāo)和動(dòng)量的預(yù)言值,，并不具有物理實(shí)在性。雖然愛(ài)因斯坦也承認(rèn)玻爾的思想在邏輯上是允許的,。但他覺(jué)得這同他的科學(xué)直覺(jué)相矛盾,。使他不能不去尋求更完備的觀念。其間盡管有許多人提出了卓越的論據(jù),，但愛(ài)因斯坦一直到逝世都堅(jiān)持他的觀點(diǎn),。隱參數(shù)理論把爭(zhēng)論推向第四階段1952年玻姆（D．Bohm）使用自旋對(duì)EPR佯謬進(jìn)行了重新表述。他設(shè)想,，存在著自旋相互作用的兩個(gè)粒子,，按照可分離性原則，當(dāng)它們相互分離不再有自旋相互作用后,，對(duì)其中之一的測(cè)量不會(huì)立即影響到另一個(gè),，這樣就可對(duì)其中一粒子的自旋加以測(cè)量，并由此獲得另一個(gè)粒子的自旋,。由于將自旋引入了EPR佯謬,，玻姆的最大貢獻(xiàn)在于他使EPR佯謬一下子從過(guò)去的不可能由實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)的思想實(shí)驗(yàn)變得有可能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了，這就是貝爾不等式,。從1970年起,，許多科學(xué)家對(duì)貝爾不等式進(jìn)行了檢驗(yàn)，至1982年的12年間,，共進(jìn)行了12項(xiàng)實(shí)驗(yàn),，有十項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有利于量子力學(xué)的哥本哈根學(xué)派的詮釋而不利于局域?qū)嵲谡摾碚摚挥袃蓚€(gè)不違犯貝爾不等式,，因而有利于局域?qū)嵲谡摻忉?。盡管如此，圍繞量子力學(xué)詮釋問(wèn)題展開的這場(chǎng)爭(zhēng)論并沒(méi)有取得最后的統(tǒng)一,，也沒(méi)有最后證明哪一派是最后的勝利者,。對(duì)這場(chǎng)爭(zhēng)論的評(píng)價(jià)愛(ài)因斯坦和玻爾就量子力學(xué)詮釋問(wèn)題所展開的爭(zhēng)論涉及到了認(rèn)識(shí)論的許多方面。概括起來(lái)主要有：①是否具有嚴(yán)格的因果決定論或非決定論,？②有沒(méi)有超距作用,？自然界發(fā)展的規(guī)律是定域的還是非定域的？③自然界的基本規(guī)律是純客觀的,，還是會(huì)受到主觀觀測(cè)行為的影響,？這些問(wèn)題是一切深入到微觀領(lǐng)域的研究必然碰到的。所以這場(chǎng)爭(zhēng)論的影響絕不僅僅限于物理學(xué)領(lǐng)域,。在這場(chǎng)爭(zhēng)論中愛(ài)因斯坦的批評(píng)對(duì)確立始終一貫的量子力學(xué)解釋起了重大作用。促使玻爾他們提出并分析了更多的假想實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步論證充實(shí)了他們的觀點(diǎn),。愛(ài)因斯坦還深入探討了新理論的本質(zhì),，指出了這個(gè)新理論與現(xiàn)有的科學(xué)世界觀發(fā)生分歧的那些關(guān)節(jié)點(diǎn)，并以自己的批判引起了人們對(duì)此的廣泛注意,，因此愛(ài)因斯坦對(duì)這場(chǎng)爭(zhēng)論的貢獻(xiàn)是不可抹殺的,。
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量子力學(xué)(Quantum Mechanics)是研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，它主要研究原子,、分子,、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu),、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論,，它與相對(duì)論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)不僅是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一,，而且在化學(xué)等有關(guān)學(xué)科和許多近代技術(shù)中也得到了廣泛的應(yīng)用,。 有人引用量子力學(xué)中的隨機(jī)性支持自由意志說(shuō),，但是第一,，這種微觀尺度上的隨機(jī)性和通常意義下的宏觀的自由意志之間仍然有著難以逾越的距離；第二,，這種隨機(jī)性是否不可約簡(jiǎn)(irreducible)還難以證明,，因?yàn)槿藗冊(cè)谖⒂^尺度上的觀察能力仍然有限。自然界是否真有隨機(jī)性還是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題,。對(duì)這個(gè)鴻溝起決定作用的就是普朗克常數(shù),。統(tǒng)計(jì)學(xué)中的許多隨機(jī)事件的例子，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)實(shí)為決定性的,。 2
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