量子力学的哲学辩证：1927年索维尔会议

伤我心太深

　　量子力学与哲学辩证：索维尔会议


　　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，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，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，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”。






　　【001】1927年，震惊世界的第五次物理索尔维会议，被称为——物理学全明星梦之队的会议


　　“有史以来最聪明的照片”，第五次索尔维会议与会者的合影。从左至右分别是：(第三排)皮卡尔德、亨里奥特、埃伦费斯特、赫尔岑、顿德尔、薛定谔、维夏菲尔特、泡利、海森堡、福勒、布里渊;(第二排)德拜、努森、布拉格、克雷默、狄拉克、康普顿、德布罗意、玻恩、玻尔;(第一排)朗缪尔、普朗克、居里夫人、洛伦兹、爱因斯坦、朗之万、古耶、威尔逊、理查森。图片来源：维基百科，量子力学，公版，Benjamin Couprie于比利时布鲁塞尔索尔维国际物理研究所。


　　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。一场影响百年的世纪大辩论即将展开，索维尔的上空空气开始凝结。首先是布拉格作关于X射线的实验报告，然后康普顿报告康普顿实验以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)首先登场发言，德布罗意提出了一种“导波”(pivotwave)的理论并试图把粒子融合到波的图像里，他认为粒子是波动方程的一个奇点，粒子必须受波的控制和引导。接着G派(哥本哈根派)的泡利举出一系列实验结果反驳德布罗意，德布罗意毫无还手之力，不得不放弃自己的观点。




　　A派薛定谔站了出来，并为德布罗意辩护，不过他的观点比较传统，对于这次辩论来说，毫无帮助，连德布罗意本人也感觉不怎么样。




　　G派海森堡和玻恩在随后的发言中主张量子力学已经是完备的，它的基本物理假说和数学假设没有进一步修改的空间。

      他们向薛定谔的电子云开火。薛定谔认为电子在空间中实际象波一样扩散。海森堡指出——薛定谔的计算不能证明自己的主张。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。”在这样激烈的辩论中，其他人也发表了一些言论。客观来讲，这不是一群普通的辩论者，他们代表了科学界的当时最好的研究者，没有人知道，这次的辩论成为经典的辩论，也会影响到一百年后，当时的观点与交锋，直到现在还没有一个完美的解释。

　　A派的爱因斯坦一开始保持着沉默，他也许在想着能够一次击败G派的机会，当玻恩提到他的名字后，他终于提出了自己的一个思路。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。

　　爱因斯坦认为，观点二是比观点一更加科学，因为它包含了观点一。但是，爱因斯坦仍然反对观点二。因为这种几率性表明，同一个实验过程会产生许多不同的结果，感应屏上的许多区域就要同时对电子的观测作出反应，这暗示了一种违背相对论的超距作用。


　　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，那就是电子与狭缝边沿的相互作用。

　　爱因斯坦又提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、那么屏上会出现干涉条纹。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那条缝，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，从而可精测定电子的动量，否定了测不准关系。


　　玻尔思考了一会又反驳说，如果关闭狭缝中的任何一个，就不是原来的实验状态了，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。



　　令人非常遗憾的是，玻尔等人的原始记录没有被组织方保存下来，这个重要场景只能依靠参加会议的几个当时人的回忆了。


　　当时，探讨的问题不仅仅是科学，还包括很多思想实验，到目前也是经典，或者是未解之谜，比如电子在双缝前的困境：如何选择电子的路径，快速地关闭及打开狭缝对电子产生的影响。埃仑费斯特在写给学生的信中说：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。”


　　爱因斯坦在相对论领域是如此成功，他深信自己对领子领域的理解，他绝对不会轻易改变自己的想法。之前，1926年他写给波恩的信里说：“量子力学令人印象深刻，但是一种内在的声音告诉我它并不是真实的。这个理论产生了许多好的结果，可它并没有使我们更接近‘老头子’的奥秘。我毫无保留地相信，‘老头子’是不掷骰子的。”“老头子”是爱因斯坦对上帝的称谓，“上帝不掷骰子!”就是爱因斯坦的流传至今的著名论断。


　　但是第一次论战他输了，输给玻尔的哥本哈根学派。


　　随着越来越多的人对哥本哈根派的理解，很多科学家都开始支持他们。爱因斯坦非但没能说服哥本哈根派，反而被弄的无法有力反击辩解，常常被反驳得说不出话来，爱因斯坦似乎成了“反动”的代言。

　　无论是在相对论，还是量子力学中的光电效应，从1905年开始，爱因斯坦似乎无所不能，成为公认的奇才，而在量子力学的本质问题上，很多人表达了对他的失望。他们认为爱因斯坦落后了，当然以这几年的科学试验证明，其实也未必哥派就是对的。

　　玻恩说：“我们失去了我们的领袖。”埃伦费非常生气的说：“爱因斯坦，我为你感到脸红!你把自己放到了和那些徒劳地想推翻相对论的人一样的位置上了。”
　　爱因斯坦这一仗似乎输了，以玻尔为首的哥本哈根派和它对量子论的解释大获全胜。但是爱因斯坦还是照样坚持自己观点，没有轻易低头。


　　第二次论战


　　时光转瞬，又是三年，1930年的第六届索尔维会议又进行了两派的第二次辩论。这一次，爱因斯坦剑指不确定性原理，他试图寻找到哥本哈根派的核心，希望凭借哥派自身的矛盾击败哥派!

　　爱因斯坦提出光箱试验：箱子里有若干光子，打开时间Δt，只放出一个光子，Δt是确定的。于是箱子轻了Δm，可以用理想的秤测出这个重量，将Δm代入E=mc^2，ΔE也确定。ΔE和Δt都确定，测不准原理不成立。

　　这个实验的精髓所在是：在精确测量Δt的同时，可以精确测量出Δm，而Δm可以由质能方程转化为精确的ΔE，ΔE、Δt都是精确的，测不准关系失效了。

　　一开始，玻尔对此毫无心理准备，有人描述当时他脸如死灰，张口结舌，不过就在第二天，经过思考，玻尔的胜利到来了。玻尔指出：一个光子跑了，箱子轻了Δm，用理性秤秤，设位移Δq，根据广义相对论的红移效应，箱子在引力场移动Δq，Δt也相应改变ΔT，可以计算出测不准原理照样成立：因为红移改变了时间。

　　这次轮到爱因斯坦说不出话了，爱因斯坦的广义相对论推翻了他自己提出的光箱试验。哥本哈根学派再次大获全胜。

　　玻尔又赢了，爱因斯坦并不甘心，但是爱因斯坦不得不承认哥本哈根的解释是没有矛盾的，量子力学依靠概率论。但他认为这种统计描述并不是完整的“图像”。用爱因斯坦自己的话说，量子力学理论是不完备的，波函数并不能精确描写单个体系的状，它所涉及的是许多体系，只是一个“系宗”。哥本哈根学派的统计描述只是一个中间阶段，应当寻求更完备的理论。

　　与此类似，玻姆的理论认为：目前量子力学之所以是一个统计理论(哥本哈根派的解释)，是因为存在还未发现的隐变量。个别体系的规律，正是由它们决定。如果能找出隐变量就可以准确地决定微观现象每一次测量的结果，而不只是决定各种可能出现的结果的几率。也就是说，如果发现隐变量，那么因果律还是存在的。

　　第七届索尔维会议时，爱因斯坦因为纳粹德国的迫害背井离乡而没有出席，而第五、第六届会议改变了传统量子理论，奠定了现代量子力学的基础。玻尔经受住了时间的考验，从此哥本哈根派思想广为传播，被科学界接受，并大方异彩，成了量子力学的统治学说。

　　量子力学的索尔维会议已经结束，爱因斯坦似乎成了量子力学的绊脚石，扮演着当年那些试图否定相对论的人类似的角色。量子力学产生以来，正确性被科学界大量实验验证，然而，量子力学存在一个重大问题没有解决：量子力学是否是完备的?波函数是否精确描写了单个体系的状态?真实的量子是如何运作的呢?