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第二章 爱因斯坦的滑铁卢 第一节 爱因斯坦的滑铁卢（第1页）

第二章：爱因斯坦的滑铁卢第一节：爱因斯坦的滑铁卢

量子力学与哲学辩证

在科学的发展史上，哲学与物理学一直都是相互验证、共同进步的，量子力学建立以后，对于量子力学的物理解释和哲学意义一直存在着严重的分歧，著名的索维尔会议就曾对这一问题产生过激烈的争论，而这次会议也堪称是迄今为止物理哲学历史上最伟大的辩论。许多著名物理学家、哲学家、实验物理学家、数学家等都卷入了这场争论。这场争论之深刻、广泛，在科学史上也是罕见的，其中最著名的就是1927年，1930年的第五、第六届索维尔会议上，以玻尔为代表的哥本哈根学派和爱因斯坦之间关于量子力学的激烈辩论。

论战的导火索是缘于薛定谔的一次讲学。1926年9月，薛定谔应玻尔的邀请，到哥本哈根介绍他的波动力学。在结束时，薛定谔提出应该放弃量子跃迁的概念，而代之以三维空间的波来描述微观客体的行为，即以传统的连续性观念，代替量子力学理论中的间断性观念。薛定谔的这一想法一提出来，立即遭到玻尔的强烈反对。这一争论可以看做是爱因斯坦和玻尔争论的序幕。

以玻尔为代表的量子力学的哥本哈根学派起源于1921年玻尔在丹麦哥本哈根创建理论物理研究所，该研究所成立后迅速成为当时国际上公认的物理研究中心，逐渐形成了以玻尔为核心、以哥本哈根的名字命名的学派。哥本哈根派对量子力学的创立和发展做出了杰出贡献，代表人物有玻尔、海森堡、泡利和玻恩等。海森堡的“测不准关系”和玻尔的“互补原理”构成了哥本哈根学派诠释量子力学的两大主要支柱。1927年后，逐渐为大多数物理学家所接受，因此被人们称为量子力学的“正统”解释。

该学派的主要观点由以下三部分构成：一、波函数的几率诠释：在微观领域里，力学的因果律和决定论都遭到了破坏。在相同的实验条件下，可以发生各种不可预测个体量子过程，每次测量都会由于观测仪器与客体之间不可控制的相互作用而引进新的实验条件，使通常情况下的因果链被打断。所以在量子力学中，人们必须放弃力学意义上的因果律和决定论，而把几率性看成是本质的。

二、测不准关系：1927年，海森堡发表了论文《量子论中运动学和动力学的可观测内容》，并提出了著名的“测不准原理”。为了说明他的测不准原理，海森堡设计了一个理想实验：用一个γ射线显微镜观测一个电子。由于显微镜的分辨率受光波波长的限制，为了精确确定电子的位置，应该使用波长短的光，而波长越短，光子的动量越大，根据康普顿散射，引起电子动量的变化就越大。因此电子的位置愈准确，就愈难确定电子的动量。反之亦然。

海森堡认为，微观粒子既不是经典的粒子，也不是经典的波；当人们用宏观仪器观测微观粒子时，就会发生观测仪器对微观粒子行为的干扰，使人们无法准确掌握微观粒子的原来面貌；而这种干扰是无法控制和避免的，同样，能量和时间这种正则共轭物理量也遵从测不准关系，海森堡认为“这种不确定性，正是量子力学中出现统计关系的根本原因”。

三、互补原理：海森堡认为，测不准关系的存在，表明了位置和动量、时间和能量这些经典概念在微观领域的适用界限；玻尔则认为这一原理并不表明粒子语言和波动语言的不适用性，只是表明同时应用它们既是不可能的，但又必须同等应用它们才能对物理现象提供完备的描述。也就是说，微观粒子具有波粒二相性，正是用经典语言描述微观客体的结果，但经典理论中波和粒子这两种图像却不能同时存在，它们是相互排斥的，并且，无论是那一种图像都不能向我们提供微观客体的完整描述；只有把这两种图像结合起来、相互补充，才能提供微观客体的完整描述。这就是玻尔的互补原理。

这种互补概念适用与整个物理学，甚至成为一种哲学原理。

而以爱因斯坦为首的另一部分物理学家，如薛定谔、德布罗意等对哥本哈根学派的观点尤其是对基因果性上提出了质疑。

早在1920年1月27日，爱因斯坦针对泡利反对连续区理论的观点表示了他自己对“完全的因果性”的信念。1924年他针对玻尔关于辐射的波动在本质上是几率波的假设而评论说：“玻尔关于辐射的意见是很有趣的。但是，我决不愿意被迫放弃严格的因果性，将对它进行更强有力的保卫。我觉得完全不能容忍这样的想法，即认为电子受到辐射的照射，不仅它的跳跃时刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去选择。”

1927年9月，在意大利科摩召开的一次纪念意大利科学家伏打逝世一百周年的大会上，玻尔第一次提出了“互补原理”。这篇演说不仅用物理学语言，而且还用了大量的哲学语言。这使科学家们感到震惊。薛定谔等不赞成玻尔的观点，尤其是不同意把物理学建立在测不准关系或其他不确定的统计解释上。一直到1927年10月，爱因斯坦、玻尔等人应邀参加第五届索维尔会议，这个被称为凝结人类一半智慧的会议，也成为历史上最著名的哲学盛宴。

索维尔会议——历史上的头脑风暴发生在上个世二十年代末期的，这次有百年来顶尖物理学家参与的索维尔会议，成为物理学哲学思辨的世界级别的华山论剑，是近代物理学的一个世纪的缩影，是两个物理学派的经典大战，其意义一直影响到百年后现代物理学的发展与进步。

这次会议上以玻尔、玻恩、海森伯等为代表的哥本哈根学派崛起，奠定了现代量子力学，而质疑哥本哈根派量子力学观点的爱因斯坦、德布罗意、薛定谔等人则受到了羞辱式的打击。在量子力学方面失去话语权。

但也就是这次沉重的打击，促使了爱因斯坦开始了物理学意义上的又一次革命，就是大统一理论，爱因斯坦的后半生几乎把所有的精力都用在了统一量子力学与相对论的道路上来了。因此在爱因斯坦基础上，上世纪后半期一直到现在，包括霍金等很多的顶尖物理学家们开始把精力用在完成大统一理论上来。

索尔维会议是由一位比利时的实业家欧内斯特·索尔维创立并以自己名字命名的。第一届索尔维会议于1911年在布鲁塞尔召开，后来被第一次世界大战打断，但从1921年开始又重新恢复，定期3年举行一届。到了1927年，这已经是第五届索尔维会议了，这也成了最著名的一次索尔维会议。

这次会议因有爱因斯坦、薛定谔等重量级的学者参加而被称为“物理学全明星梦之队”。目前流传得最广的那张“物理学全明星梦之队”的照片，就是这次会议的合影。

参加这次会议的，几乎都是当时世界上最顶尖的物理学家，大部分都获得过诺贝尔奖或者在物理界有着举足轻重的地位，被号称“聚集了地球一半智慧的辩论”。这些物理学家奠定了现代物理学的大部分基础。这次会议从10月24日开始历时六天，主题是“电子和光子”。

会议的观点实际上可分为三派，即以布拉格、康普顿为代表的实验派；以玻尔、玻恩、泡利，海森堡为代表的歌本哈根学派（简称G派）；还有以爱因斯坦、德布罗意、薛定谔为代表的爱因斯坦派（简称A派）。

哥本哈根学派的观点认为：波函数精确地描述了单个体系的状态；波函数提供统计数据，测不准关系的存在是由于粒子与测量仪器之间的不可控制性；在空间、时间中发生的微观过程和经典因果律不相容。

而爱因斯坦派的观点认为：一个没有严格因果律的物理世界是不可想象的，并且还认为量子力学可能出了问题。

一场世纪大辩论即将展开，会议的气氛充满激烈的火药味。

首先是布拉格做关于X射线的实验报告，然后康普顿报告康普顿实验及其和经典电磁理论的不一致。接着世纪的论战便开始了：A派（爱因斯坦派）的德布罗意一马当先做了发言，他试图把粒子融合到波的图像里去，提出了一种“导波”（pivotwave）的理论，认为粒子是波动方程的一个奇点，它必须受波的控制和引导。接着G派（哥本哈根派）的泡利立即狠狠批评这个理论，举出一系列实验结果反驳德布罗意，德布罗意被迫放弃自己的观点。

A派薛定谔随后大举来援，不过他还是坚持一个非常传统的解释，这连盟军德布罗意也觉得不大满意。泡利早就嘲笑薛定谔为“幼稚”。

G派海森堡和玻恩说：“我们主张量子力学是完备的，它的基本物理假说和数学假设不能进一步修改。”他们集中火力攻击薛定谔的电子云。薛定谔认为电子的确在空间中实际地如波般扩散开去。海森堡评论说：“我从薛定谔的计算中看不到任何东西可以证明事实如同他所希望的那样。薛定谔承认自己的计算不完美，但谈论电子轨道是胡扯。（应该是波本征态的叠加）G派玻恩回敬道：“不，一点都不是胡扯。”在一片硝烟中，会议的组织者，老资格的洛伦兹也发表了一些保守的观点。

A派的爱因斯坦一开始按兵不动，保持着可怕的沉默，不过当玻恩提到他的名字后，他终于忍不住出击了。爱因斯坦提出一个模型：一个电子通过一个小孔得到衍射图像。

爱因斯坦指出两种观点：

第一，这里没有一个电子，只有一团电子云，它是一个空间中的实在的。

第二，的确有一个电子，电子本身不扩散到空中，而是它的几率波。

爱因斯坦承认，观点二是比观点一更加完备的，因为它整个包含了观点一。尽管如此，爱因斯坦仍然说，他不得不反对观点二。因为这种随机性表明，同一个过程会产生许多不同的结果，而且这样一来，感应屏上的许多区域就要同时对电子的观测做出反应，这似乎暗示了一种超距作用，从而违背相对论。

G派的玻尔经过认真思考后指出：不能避免在测量时仪器对电子不可控制的相互作用，即电子与狭缝边沿的相互作用。

爱因斯坦又想出了一个类似托马斯·杨的双缝干涉实验，如果让大量电子通过两条缝，会在屏上出现干涉条纹。若控制电子枪，让它一个一个地发射电子，屏幕上就会出现一个一个的亮点，并可测量他们的位置。如果分别关闭两条缝，就可以知道电子是通过了哪条缝，从而可测出电子的准确路径。由干涉条纹可计算电子波的波长，从而可精确确定电子的动量，否定了测不准关系。

玻尔思考了一会儿又反驳说，如果关闭狭缝中的任何一个，实验状态就完全改变了，在双缝开启时出现的干涉现象就不再出现，实验回到了单缝状态，只不过先后通过了两条单狭缝，等于多了一次与狭缝相互作用的不确定因素。更重要的是，电子行为依赖于壁障上有没有另一条狭缝，即依赖于我们对实验的安排。这样，玻尔把爱因斯坦用来反驳互补原理的理想实验，反而变成了用互补原理说明波粒二相性的例子。

可惜的是，玻尔等人的原始讨论记录没有官方资料保存下来，对当时情景的重建主要依靠几位当事人的回忆。

当时那一场激战，讨论的问题中有我们已经描述过的那个电子在双缝前的困境：如何选择它的路径以及快速地关闭，及打开一条狭缝对电子产生的影响。还有许许多多别的思维实验。埃仑费斯特在写给他那些留守在莱登的弟子们（乌仑贝特和古德施密特等）的信中描述说：爱因斯坦像一个弹簧玩偶，每天早上都带着新的主意从盒子里弹出来，而玻尔则从云雾缭绕的哲学中找到工具，把对方所有的论据都一一碾碎。

海森堡1967年的回忆说：“讨论很快就变成了一场爱因斯坦和玻尔之间的决斗：当时的原子理论在多大程度上可以看成是讨论了几十年的那些困难的最终答案呢？我们一般在旅馆用早餐时就见面了，于是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哥本哈根解释的内部矛盾。然后爱因斯坦，玻尔和我便一起走去会场，我就可以现场聆听这两个哲学态度迥异的人的讨论，我自己也常常在数学表达结构方面插几句话。

“在会议中间，尤其是会间休息的时候，我们这些年轻人——大多数时间是我和泡利——就试着分析爱因斯坦的实验，而在吃午饭的时候讨论又在玻尔和别的来自哥本哈根派的人之间进行。一般来说玻尔在傍晚的时候就对这些理想实验完全心中有数了，他会在晚餐时把它们分析给爱因斯坦听。

“爱因斯坦对这些分析提不出反驳，但在心里他是不服气的。”