玻尔与爱因斯坦的世纪论战——物理学灵魂的论战

  二十世纪20 年代后期开始,量子力学的物理诠释以及相与俱来的科学哲学问题,引起了一场史无前例的科学大论战。这场思想和理论的“世界大战”,已经持续了70 年,至今仍毫无平息的迹象。这场深刻的科学和哲学问题争论,是科学发展史上的重大事件,而本世纪两位最伟大的科学巨人——爱因斯坦和玻尔之间的激烈交锋,则是其中最主要的和最有代表性的部分。


  第一回论战
  1927年10月在布鲁塞尔召开了第五届索尔威会议。会议的议题是“电子与光子”,企图解决“经典理论与量子理论之间的矛盾”。包括爱因斯坦、玻尔、薛定谔、玻恩、德布罗意、海森堡、洛伦兹、康普顿等在内的世界最著名的科学家出席了这次会议。


  在会上,玻尔首先作了发言,阐述互补原理和对量子力学的诠释。由于爱因斯坦一直对量子力学的统计解释感到不满,他曾在半年多以前(1926 年12 月 4 日)写信给玻尔道:“量子力学固然是堂皇的。可是有一种内在的声音告诉我,它还不是那真实的东西。这理论说得很多,但是一点也没有真正使我们更接近这个‘恶魔’的秘密。我无论如何深信上帝不是在掷骰子。” 所以人们都急切地期待着爱因斯坦对玻尔观点的反应。本世纪两位最伟大的科学巨人之间一场达几十年之久的争论即将拉开序幕。


  第五届索尔威会议开得异常热烈,在德布罗意、薛定谔发言后,玻尔和海森堡认为量子力学是一个完备的理论;它的基本的物理和数学假设是不容许加以进一步修改的。这无疑是对不同的观点提出挑战。后来,会议主席洛伦兹要求玻尔发言,谈谈他的看法。玻尔重复了互补原理和对量子力学的诠释。会议开始讨论玻尔的观点。由于爱因斯坦仍保持沉默,玻恩急切想听到爱因斯坦的意见,就站了起来,点名请爱因斯坦发表看法。直到这时,爱因斯坦才起来发言,表示赞同量子力学的系统几率解释,而不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论的观点。在当时的与会者大多数都赞成量子力学的几率解释的情况下,爱因斯坦的发言无异是向水中抛下了一块巨石,立即掀起了层层波浪。整个会场沸腾了,十多位科学家一边用好几种语言叫嚷着要求发言,一边迫不及待地和周围的科学家交换意见。会场一片嘈杂,尽管会议主席洛伦兹用手拍着桌子叫大家安静下来,但无济于事。于是埃伦菲斯特跑到讲台前,在黑板上写下了圣经上的一句名言:“上帝真的使人们的语言混杂起来了!”这句话指的是混杂的语言妨碍了建筑巴比伦塔的典故。正在混战的物理学家们望了望黑板,突然意识到了这个典故是指他们时,不禁哄堂大笑。洛伦兹于是宣布,会议从晚间起改成小组讨论。
  无论是玻尔还是爱因斯坦,在会前就预感到他们之间必然会发生一场争论。双方都作了充分的准备。在会上,虽然两人都非常尊重自己的对手,尽量采用一些客气的语句和彬彬有礼的态度,但是,两人一正面交锋,就火药味十足,充分暴露出问题的尖锐性。
  在讨论中,玻尔极力想把爱因斯坦争取过来。他尽量提醒爱因斯坦:难道不正是你第一个自觉地突破了经典物理学的框架,提出了相对论和光量子理论吗?难道不正是你在1905 年第一次提出了光的波粒二象性思想吗?难道不正是你把几率概念引进了对辐射问题的解释之中吗?难道不正是你......最后,难道在现代物理学中奠定了这样基础的人不应当在这种基础上接受更新的量子力学观点,把理论更向前推进一步吗?
  但是爱因斯坦根本不听这一套,他坚信“有一个离开知觉主体而独立的外在世界,是一切自然科学的基础。”因此,他对测不准关系和量子力学的几率解释极为不满,认为这是由于量子力学主要的描述方式不完备所造成的,从而限制了我们对客观世界的完备认识,因此只能得出不确定的结果。
  他采取的策略是试用一个思想实验来驳倒测不准关系,从而揭示出量子力学统计解释内在逻辑上的矛盾。因为他知道互补原理的哲学味太浓,一下难以否定,但与它等价的测不准关系是一个数学表达式,既然海森堡是用思想实验来说明这个关系式的,何不也用一个思想实验来反驳呢?
  首先,他设计了一个让电子通过单狭缝衍射的实验,认为这个实验有可能提供一个精确的时空标示,同时又能提供对此过程中能量和动量交换平衡的详细说明。但是,玻尔很快指出,他不能避免在测量时仪器对电子不可控制的相互作用,即电子与狭缝边缘的相互作用,并认为必须考虑仪器自身的不确定性,这对于分析思想实验问题是十分重要的。后来,玻尔和罗森菲尔德把这一方法应用到分析场的可测性问题,从而确定了量子场论的无矛盾条件。
  爱因斯坦看单狭缝不能难倒玻尔,第二天又想出了一个类似当年托马斯·扬所做的双狭缝干涉实验。玻尔面对爱因斯坦的难题,毫不退缩,经过仔细思考,就势画了一个可操作的思想实验示意图,通过计算表明,爱因斯坦用来反驳互补原理的思想实验反而变成了用互补原理说明波粒二象性的标准范例。
  据海森堡后来回忆,这样的讨论往往从早上开始,爱因斯坦在吃早饭时告诉玻尔等人他夜里想出来的新思想实验。并根据他的解释来否定测不准关系。玻尔等人就立即开始分析,在前往会议室的路上,就对这个问题做出了初步的说明,到会上再详细讨论。结果总是在吃晚饭的时候,玻尔就能给爱因斯坦证明,他的实验是驳不倒测不准关系的。爱因斯坦很不安,第二天又提出一个新的思想实验,比前一个更复杂。当然,结果还是以爱因斯坦的失败告终,如此数日。这样,甚至使得过去一些对哥本哈根解释持怀疑态度的科学家,比如德布罗意也改变了自己的观点,转到玻尔的立场上来了。
  玻尔认为他已经成功地证实了自己的观点,但爱因斯坦并不因为自己接二连三的失败而改变看法。因为几率概念起源于人们对赌博掷骰子的研究,所以他开玩笑地对玻尔等人说:难道你们真的相信上帝也会掷骰子来行使他的权利吗?玻尔也客气地回敬道:当你用普遍的言语来描述神的旨意时,你难道不认为应当小心一点吗?这句话暗示了根据传统的哲学观点和日常的习惯语言是无法确切描述量子现象的。
  尽管如此,玻尔还是十分尊重爱因斯坦的这些挑战。他认为,“爱因斯坦的关怀和批评是很有价值的,促使我们大家再度检验和描述原子现象有关的各种理论。对于我来说,这是一种很受欢迎的刺激,迫使我进一步澄清测量仪器所起的作用。”在会议期间,玻尔等人后来差不多花了整整一夜时间,试图自己设想出一种能充分驳倒测不准关系的思想实验。玻尔个人就设想了二三种这样的实验。但无论设想出什么实验装置;只要一进行深入分析,就会发现它最终依然要服从测不准关系。
  第五届索尔威会议结束了。在本世纪两位科学巨人论战的第一个回合中,玻尔成功地守住了自己的阵地,但爱因斯坦并没有服输,他在1928年5月31日致薛定谔的信中说:“玻尔、海森堡的绥靖哲学——或绥靖宗教——是如此精心策划的,使它得以向那些信徒暂时提供了一个舒适的软枕。那种人不是那么容易从这个软枕上惊醒的,那就让他们躺着吧。”
  第二回论战
  1929 年,在《自然科学》周刊献给普朗克的专号上,玻尔写了一篇题为“作用量子和自然的描述”的文章,从三个不同的方面,把他的方法与爱因斯坦的相对论作了比较,希望以此来改变爱因斯坦的观点。他认为普朗克发现作用量子,使我们面临着一种与发现光速的有限性的一样的形势。正如在宏观力学中,由于速度小,使我们能把时间概念和空间概念截然分开一样,普朗克作用量子很小这一事实,也使我们在通常的宏观现象中,能对时空和因果关系同时做出描述。但在微观现象中,如同在高速情况下必须考虑观察的相对性一样,也不能忽略测量结果的互补性。测不准关系的限制保证了量子力学逻辑无矛盾性,也如同信号不能超越光速传递来保证相对论的逻辑无矛盾性一样。他像海森堡一样认为,由于爱因斯坦否定牛顿的绝对时间是因为没有任何关于绝对同时性的实验操作,所以,量子力学的共轭变量之间的测不准关系,也基于在任意的精确度上不可能对这些变量进行同时的测量。有人在这篇文章发表后去访问爱国斯坦,并向他指出,海森堡和玻尔所用的方法就是爱因斯坦1905年发明的。这时,爱因斯坦风趣地回答道:一个 好的笑话是不宜重复太多的。但是玻尔的文章启发了爱因斯坦,使他想到,为什么不拿出自己的看家本领,用相对论来反驳玻尔呢?于是他作了充分的准备。
  1930 年秋天,第六届索尔威会议开幕了。会议由郎之万任主席。这次会议的主题是“物质的磁性”。但是从物理学史和人类思想史的观点来看,关于量于力学基础问题的讨论显然在这次会议上形成了“喧宾夺主”之势。各国的科学家怀着激动的心情,期待着两位巨人之间新一轮论战。
  这次,爱因斯坦经过三年的深思熟虑,秣马厉兵,显得胸有成竹,一开始便先发制人。他提出了著名的“光子箱”(又称“爱因斯坦光盒”)思想实验。他提出用相对论的方法,来实现对单个电子同时进行时间和能量的准确测量。如果这个方法可行,那么,即可宣告测不准关系破产,玻尔的工作 和量子论的诠释将被推翻。
  爱因斯坦沉着地在黑板上画了一个“光子箱”思想实验的草图,在一小盒子——光子箱中装有一定数量的放射性物质,下面放一只钟作为计时控制器,它能在某一时刻将盒子右上方的小洞打开,放出一个粒子(光子或电子),这样光子或电子跑出来的时间就能从计时钟上准确获知。少了一个粒子,小盒的重量差则可由小盒左方的计量尺和下面的砝码准确地反映出来,根据爱因斯坦质能公式 E=mc2,重量(质量)的减少可以折合成能量的减少。因此,放出一个粒子准确的时间和能量都能准确测得。这与海森堡的不确定性原理完全相左,准确性和因果性再次获得了完整的表达。爱因斯坦最后还着重表示,这一次实验根本不涉及观测仪器的问题,没有什么外来光线的碰撞可以改变粒子的运动。一轮新的论战就这样开始了。
  这一回,玻尔遇到了严重挑战。他刚一听到这个实验时,面色苍白,呆若木鸡,感到十分震惊,不能马上找出这个问题的答案。当时他着实慌了手脚,在会场上一边从一个人走向另一个人,一边喃喃地说,如果爱因斯坦正确,那么物理学就完了。据罗森菲尔德回忆,当这两个对手离开会场时,爱因斯坦那天显得格外庄严高大,而玻尔则紧靠在他的旁边快步走着,非常激 动,并徒劳地试图说明爱因斯坦的实验装置是不可能的。
  当天夜里,玻尔和他的同事们一夜没合眼。玻尔坚信爱因斯坦是错的,但关键是要找出爱因斯坦的破绽所在。他们检查了爱因斯坦实验的每一个细 ,奋战了一个通宵,终于找出了反驳爱因斯坦的办法。
  第二天上午,会议继续进行,玻尔喜气洋洋地走向黑板,也画了一幅“光子箱”思想实验的草图,与爱因斯坦不同的是,玻尔具体给出了称量小盒子重量的方法。他把小盒用弹簧吊起来,在小盒的一侧,他画了一根指针,指针可以沿固定在支架上的标尺上下移动。这样,就可以方便地读出小盒在粒子跑出前后的重量了。然后,玻尔请大家回忆爱因斯坦创立的广义相对论。从广义相对论的等效原理可以推出,时钟在引力场中发生位移时,它的快慢要发生变化。因此,当粒子跑出盒子而导致盒子重量发生变化时,盒子将在重力场中移动一段距离,这样所读出的时间也会有所改变。这种时间的改变,又会导出测不准关系。可见,如果用这套装置来精确测定粒子的能量,就不能准确控制粒子跑出的时间。玻尔随之给出了运用广义相对论原理的数学证明。
  这下,爱因斯坦不得不又一次承认,玻尔的论证和计算都是无可指责的。他自己居然在设计这个理想实验时,只考虑了狭义相对论而没有考虑广义相对论,出了一个大疏忽,实在太遗憾了。他意识到在量子力学的形式体系范围内是驳不倒测不准关系的,在口头上承认了哥本哈根观点的自洽性。这时,与爱因斯坦和玻尔都是好朋友的埃伦菲斯特,以开玩笑的口气对爱因斯坦说,你不要再试图制造“永动机”了。爱因斯坦表示欣然接受。
  玻尔的胜利赢得了越来越多物理学家对他观点的赞同。量子力学的哥本哈根解释己被绝大多数物理学家奉为正统解释。但玻尔并没有满足在会议上所取得的胜利,他回去后又仔细研究了“爱因斯坦光盒”的每一个细节,并且让他的学生、物理学家伽莫夫制作了一个实体模型。至今这个模型仍保存在哥本哈根的玻尔理论物理研究所中。
  在爱因斯坦和玻尔论战的两个回合中,玻尔以其人之道反治其人之身,巧妙地利用爱因斯坦设计的思想实验和他创立的相对论,驳倒了爱因斯坦本人,取得了论战的胜利。虽然爱因斯坦在具体物理问题上失败了,但他对物理世界的基本观点丝毫未变,仍坚持“上帝不会掷骰子”,在量子力学的诠释背后一定有着更根本的规律,它们才能正确、全面解释量子现象。
  第三回论战
  1935年,爱因斯坦、波道尔斯基和罗森三人联名发表了EPR 文章,把攻击的矛头从量子理论内部逻辑自洽性,转到了量子理论的完备性上来。玻尔对此著文予以答辩。双方争辩的中心是对“物理实在”的理解,实际上是对微观世界特殊规律的认识问题。这表明两位科学巨人已把论战提到了一个新的高度,其意义也更加广泛和深远。
  在爱因斯坦和玻尔分别于1955 年和1962 年逝世后,作为他们个人之间的学术争论,当然结束了。但是这场涉及物理学及科学哲学的大论战,目前仍在继续,它的不断深入,甚至可能会酿成一场震撼现代物理学两大支柱——相对论和量子力学的巨大风暴。

分享道