撰文 | 張?zhí)烊?/span>
責(zé)編 | 呂浩然
話說當(dāng)年的量子江湖上，各路英雄涌現(xiàn)，建立量子力學(xué)并推出了粒子和波動(dòng)兩大綱領(lǐng)。開始時(shí)兩派人馬有所對(duì)立，繼而形勢(shì)快速發(fā)展，約爾當(dāng)和狄拉克都證明了矩陣力學(xué)和波動(dòng)方程兩者是等同的。所以雙方學(xué)者并無太大的隔閡，大家共同努力，為量子力學(xué)譜新篇。
后來，多數(shù)物理學(xué)家基本接受了玻恩的概率解釋，并形成了以玻爾為首的哥本哈根詮釋。然而世事難料，彼時(shí)科學(xué)界頭號(hào)人物愛因斯坦突然站到了量子革命派的對(duì)立面，反對(duì)玻恩加玻爾的概率解釋等不確定性觀點(diǎn)。愛因斯坦態(tài)度的轉(zhuǎn)變打亂了原有陣營，嚴(yán)酷的客觀形勢(shì)讓物理學(xué)家們重新站隊(duì)：支持概率解釋的，和反對(duì)概率解釋的。
這整段歷史包括了許多有趣的關(guān)鍵事件，值得我們更仔細(xì)的回味……
從1925年海森堡等的文章[1]，到1926年上半年薛定諤的波動(dòng)力學(xué)文章[2]，中間還有狄拉克q-數(shù)的文章[3]，總共不過短短幾個(gè)月，量子力學(xué)的三套馬車已經(jīng)全部啟動(dòng)了！各派物理學(xué)家們，分析形勢(shì)熱烈響應(yīng)，唯恐被馬車甩下！他們踴躍參加學(xué)術(shù)會(huì)、爭(zhēng)先恐后發(fā)文章，思想活躍求詮釋、你追我趕緊跟上。那是量子物理學(xué)史上最高峰、最激動(dòng)人心的歲月！
海森堡、薛定諤、狄拉克幾位駕車人，則奔波輾轉(zhuǎn)于各個(gè)大學(xué)、研究所之間，受邀到處作報(bào)告，忙得不亦樂乎！
玻爾，這位量子物理革命派的掌門人，更是日夜不停地整理信息、思考問題。他的優(yōu)勢(shì)是有哥本哈根研究所這塊風(fēng)水寶地，吸引了一大批年輕人才接踵而至，為了及時(shí)地更新知識(shí)、交流思想，玻爾不停地邀請(qǐng)各方學(xué)者、專家來訪作報(bào)告。
狄拉克於1926年9月拜訪哥本哈根，逗留了6個(gè)月。但玻爾喜好物理概念的定性描述，不適應(yīng)狄拉克的抽象數(shù)學(xué)。所謂的q-數(shù)等等，令玻爾頭痛。還好那年也邀請(qǐng)了薛定諤，微分方程是在經(jīng)典物理中就司空見慣的東西，玻爾喜歡，認(rèn)為薛定諤的這種數(shù)學(xué)形式“清晰而簡潔，與之前的量子力學(xué)表述形式相比，有了巨大進(jìn)步”。所以，玻爾這次對(duì)薛定諤倍加關(guān)照，親自到火車站迎接，讓他住在自己家里，當(dāng)作“家庭客人”。
玻爾對(duì)待薛定諤如此看重，當(dāng)然是有他的打算的。海森堡曾經(jīng)在那年夏末到慕尼黑參加薛定諤的討論會(huì)，被與會(huì)的學(xué)者對(duì)波動(dòng)力學(xué)的熱情所震撼，連夜寫信給玻爾報(bào)告情況，促成了玻爾立即決定邀請(qǐng)薛定諤。
薛定諤10月1日到達(dá)哥本哈根，與玻爾的熱烈討論從火車站第一眼見面時(shí)就開始了。玻爾那時(shí)對(duì)量子力學(xué)已經(jīng)有了基本的理解方式，就是后來被稱之為“哥本哈根詮釋”中的部分說法，包括原子模型、其中電子軌道是否存在等問題，玻爾（和海森堡）當(dāng)然要急不可待地將這些新觀念灌輸?shù)窖Χㄖ@的腦袋里！
薛定諤導(dǎo)出的方程，是電子遵循的波動(dòng)方程，電子的粒子性實(shí)際上也隱藏其中，但薛定諤并未意識(shí)到這一點(diǎn)。他以為他的方程將電子的運(yùn)動(dòng)回歸到了經(jīng)典物理的方式，他不承認(rèn)電子能量可以跳躍式的變化，以為用經(jīng)典觀念可以詮釋他的方程和理論！
但玻爾和海森堡則認(rèn)為：在量子的水平上，電子軌道沒有任何意義，取而代之的，是電子的狀態(tài)在離散的量子態(tài)之間瞬時(shí)躍遷！
薛定諤的腦袋里已經(jīng)塞滿了太多經(jīng)典觀念，不是太容易任憑玻爾“灌輸”的！玻爾著急且不讓步，從早到晚，從清晨到深夜，數(shù)度高談闊論，一片狂轟濫炸！最后薛定諤實(shí)在招架不住，只好承認(rèn)自己的闡述不夠充分，薛定諤所有想兜圈子繞過這個(gè)結(jié)果的企圖都被玻爾駁倒。最后連人也徹底倒下了，薛定諤得了感冒，病倒在床！
玻爾讓妻子照顧病中的薛定諤，端茶倒水無微不至，但一有機(jī)會(huì)仍然不忘喋喋不休地為其“洗腦”：“薛定諤，不管怎樣你得承認(rèn)……”。薛定諤不接受哥本哈根學(xué)派采用的玻恩的概率解釋，他認(rèn)為波函數(shù)是實(shí)在的物理量，反映了電子電荷的分布密度。當(dāng)然，這個(gè)頗為幼稚的說法顯然無法令人同意，包括愛因斯坦。泡利就曾經(jīng)在寫給玻爾的信中，刻薄地嘲笑薛定諤的文章是“兒童般幼稚的論文”！
最后，薛定諤拗不過玻爾，但始終也不愿同意量子躍遷，他最后快發(fā)火了，說：“假如擺脫不了這些該死的量子躍遷的話，那么我寧可從來沒有涉足過什么量子力學(xué)！” 雖然兩人誰也說服不了誰，大家仍然禮貌而散。薛定諤回他的慕尼黑，玻爾也感覺有些筋疲力盡，后來又與海森堡辯論不相容性原理，再后來就找空閑去挪威滑雪度假去了。顯然，玻爾“度假”修整一段時(shí)間，對(duì)大家都有好處。
一晃1927年，海森堡趁著玻爾不在眼前，寄出了他關(guān)于“不相容性原理”的論文，后來他接受了萊比錫大學(xué)的邀請(qǐng)，離開了哥本哈根。玻爾經(jīng)過長時(shí)間的思考，他的互補(bǔ)原理基本成熟，并且，他既然想通了“粒子波動(dòng)”互補(bǔ)，當(dāng)然也對(duì)海森堡的不相容原理感到豁然開朗。正好1927年9月時(shí)，意大利有一個(gè)紀(jì)念伏打百年忌辰的科莫會(huì)議，玻爾就將他的并協(xié)和互補(bǔ)等在會(huì)上講了一遍?？上莻€(gè)會(huì)議愛因斯坦和薛定諤都沒有參加，因此風(fēng)平浪靜無爭(zhēng)論。
洛倫茲（Lorentz，1853－1928）是當(dāng)年德高望重的物理學(xué)家，已經(jīng)74歲了。從第一次索爾維會(huì)議開始，他就擔(dān)任主席一職，到了1927年，他又開始積極籌辦主題定為“電子與光子”的第五次索爾維會(huì)議。
大家都見過這次會(huì)議出席者們的照片，群賢畢至，濟(jì)濟(jì)一堂。29人中有17位諾獎(jiǎng)得主，許多人都是我們這個(gè)量子群英會(huì)系列的主角。照片中展示了與會(huì)的人員，但令人頗感奇怪的是，也有幾位與會(huì)議主題相關(guān)的科學(xué)家未被邀請(qǐng)，例如盧瑟福和索末菲均未到會(huì)，還有參與創(chuàng)立矩陣力學(xué)并有極重要貢獻(xiàn)的約爾丹也沒有被邀請(qǐng)。
到會(huì)的量子英雄們，每個(gè)人都身懷特技，帶獨(dú)門法寶。其中有：玻爾的“氫原子模型”、玻恩的“概率”、德布羅意的“物質(zhì)波”、康普頓的“效應(yīng)”。此外，狄拉克有“算符”，薛定諤有“方程”，布拉格有“晶體”模型，海森堡和泡利有“測(cè)不準(zhǔn)原理”和“不相容原理”，埃倫費(fèi)斯特則舉著一塊“浸漸原理”大招牌。愛因斯坦當(dāng)然絕頂風(fēng)光，手握兩面相對(duì)論大旗，頭頂“光電效應(yīng)”的光環(huán)；居里夫人緊握“鐳和仆”；還有洛倫茲的“變換”、普朗克的“常數(shù)”、郎之萬的“原子論”、威爾遜的“云霧室”，等等等等。
第五次索爾維會(huì)上
這次會(huì)議的主題“電子與光子”，表明了這是一次關(guān)于量子力學(xué)的會(huì)議。
正式會(huì)議上，以兩個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告開場(chǎng)：小布拉格講X射線的反射強(qiáng)度；康普頓講輻射實(shí)驗(yàn)與電磁理論之間不一致之處。那幾年，量子力學(xué)不僅僅理論有所發(fā)展，實(shí)驗(yàn)上也有突破：1923年，康普頓完成了X射線散射實(shí)驗(yàn)，光的粒子性被證實(shí)；1925年，戴維遜和革末證實(shí)了電子的波動(dòng)性。
演講之后是討論?？死梗↘ramers，1894－1952）針對(duì)小布拉格的演講介紹了他自己的工作?？死沟拿诌^去聽得少，這位來自荷蘭的科學(xué)家當(dāng)年可是哥本哈根的重要成員，玻爾的主要助手！居里夫人則在討論中說康普頓效應(yīng)或許在生物上會(huì)有重要應(yīng)用，以及產(chǎn)生X射線的高壓技術(shù)在醫(yī)學(xué)治療上能找到重要用途，等等。
兩個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告后，緊接著四個(gè)重磅理論報(bào)告：德布羅意導(dǎo)波、玻恩和海森堡矩陣力學(xué)、薛定諤波動(dòng)方程，以及玻爾的報(bào)告。
大家在會(huì)前就已經(jīng)了解了玻恩的頗具顛覆性的統(tǒng)計(jì)詮釋，因此，與會(huì)人員在思想上已經(jīng)分成了兩大陣營：大部分年輕而喜新厭舊的“男孩”物理學(xué)家們，支持新理論和新解釋；反對(duì)概率詮釋的愛因斯坦這邊，除了他這個(gè)領(lǐng)頭人之外，則有幾個(gè)自己反對(duì)自己理論的保守派，聽起來都是曾經(jīng)在量子江湖開天辟地的“老骨干”：普朗克、德布羅意、薛定諤等。
德布羅意難以接受統(tǒng)計(jì)詮釋，但又抱著調(diào)和的心態(tài)，在索爾維會(huì)議上的演講采取了比較緩和與含糊的說法。他設(shè)想波動(dòng)方程有兩個(gè)解，一個(gè)具有奇點(diǎn)，表示具有顆粒性的微觀物質(zhì)粒子，一個(gè)是連續(xù)的波動(dòng)，附著在粒子上引導(dǎo)粒子運(yùn)動(dòng)。德布羅意稱之為“雙解理論”，而把引導(dǎo)粒子運(yùn)動(dòng)的波稱為“導(dǎo)波”（pilot wave），用這種方法來詮釋波粒二象性。泡利對(duì)德布羅意的導(dǎo)波，開始覺得新穎，后來認(rèn)為整個(gè)理論都不能接受，因?yàn)樗匦乱腚娮榆壍溃呋仡^路。
玻恩與海森堡的演講總結(jié)、評(píng)論了創(chuàng)立量子力學(xué)的工作，包括矩陣力學(xué)及測(cè)不準(zhǔn)原理，玻恩的統(tǒng)計(jì)詮釋，也包括了劍橋狄拉克的與矩陣力學(xué)頗為類似的q-數(shù)理論。
薛定諤則講了他的波動(dòng)力學(xué)與時(shí)間無關(guān)和相關(guān)的方程，及其與矩陣力學(xué)的等價(jià)性。薛定諤認(rèn)為他的波函數(shù)ψ描述物質(zhì)的連續(xù)分布，其平方表示物質(zhì)的密度。薛定諤如此解釋波函數(shù)，連德布羅意都不接受，試想：每個(gè)電子的波包，都布滿了整個(gè)原子，還隨著時(shí)間而變化，這是一幅什么奇怪的圖像？難怪泡利要挖苦薛定諤“兒童般幼稚的論文”。
三個(gè)演講后也都有相應(yīng)的討論，無需贅述，因?yàn)檠芯績?nèi)容涉及的數(shù)學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并無大問題，人們有分歧的是物理概念的解釋。例如，狄拉克與海森堡之間關(guān)于波函數(shù)塌縮產(chǎn)生一點(diǎn)爭(zhēng)論：狄拉克說這是“大自然的選擇”，海森堡認(rèn)為是“觀測(cè)者做出的選擇”。這也涉及了量子測(cè)量這個(gè)至今也還爭(zhēng)論不休的問題。
會(huì)上激起物理和概念上激烈爭(zhēng)論的，是最后玻爾的演講。
為何最后是波爾報(bào)告呢？最初，洛倫茲邀請(qǐng)愛因斯坦做報(bào)告，愛氏表示可以講量子統(tǒng)計(jì)，但后來他改變了想法，說自己沒有全力以赴地參與量子理論的最新發(fā)展，并且也不贊成純統(tǒng)計(jì)的看法，謙虛地表示沒有資格作報(bào)告。愛氏推薦費(fèi)米或郎之萬代替他講量子統(tǒng)計(jì)。但到最后，費(fèi)米或郎之萬都沒有來講，而是玻爾愿意講，但把題目改成了“量子假設(shè)與原子學(xué)說之新進(jìn)展”，就是他九月在科莫會(huì)議上講的，如何詮釋量子力學(xué)的問題。
第五次索爾維會(huì)議-下
開始時(shí)，愛因斯坦一直保持沉默。到了玻恩與海森堡的演講，愛因斯坦才發(fā)出聲音，建議討論一下電子通過狹縫投射到屏幕上的衍射。“穿過狹縫的電子可以出現(xiàn)在屏幕上不同的地方，按照概率詮釋，則同一過程將會(huì)在屏幕上多個(gè)地點(diǎn)引起作用?！边@就意味著超距作用，違反相對(duì)論原理。
當(dāng)玻爾結(jié)束了關(guān)于“互補(bǔ)原理”的演講后，愛因斯坦又突然發(fā)動(dòng)攻勢(shì)：“很抱歉，我沒有深入研究過量子力學(xué)，不過，我還是愿意談?wù)勔话阈缘目捶?。”然后，愛因斯坦用一個(gè)關(guān)于α射線粒子的例子表示了對(duì)玻爾等學(xué)者發(fā)言的質(zhì)疑。不過，愛因斯坦在會(huì)上的發(fā)言都相當(dāng)溫和。此外，在演講之后會(huì)上的討論交流中，也不可能談?wù)摵芏嘀v題之外的東西。
愛因斯坦與玻爾的爭(zhēng)論，基本上是在會(huì)外進(jìn)行，是在正式會(huì)議結(jié)束之后幾天的討論中。那時(shí)候，火藥味就要濃多了。根據(jù)海森堡的回憶，常常是在早餐的時(shí)候，愛因斯坦設(shè)想出一個(gè)巧妙的思想實(shí)驗(yàn)，以為可以難倒玻爾，但到了晚餐桌上，玻爾就想出了招數(shù)，一次又一次化解了愛因斯坦的攻勢(shì)。當(dāng)然，到最后，誰也沒有說服誰。
海森堡在1967年的回憶里說道：“討論很快就變成了一場(chǎng)愛因斯坦和玻爾之間的決斗：當(dāng)時(shí)的原子理論在多大程度上可以看成是討論了幾十年的那些難題的最終答案呢？我們一般在旅館用早餐時(shí)就見面了，于是愛因斯坦就描繪一個(gè)思維實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為從中可以清楚地看出哥本哈根解釋的內(nèi)部矛盾。然后愛因斯坦、玻爾和我便一起走去會(huì)場(chǎng)，我就可以現(xiàn)場(chǎng)聆聽這兩個(gè)哲學(xué)態(tài)度迥異的人的討論，我自己也常常在數(shù)學(xué)表達(dá)結(jié)構(gòu)方面插幾句話。在會(huì)議中間，尤其是會(huì)間休息的時(shí)候，我們這些年輕人——大多數(shù)是我和泡利——就試著分析愛因斯坦的實(shí)驗(yàn)，而在吃午飯的時(shí)候討論又在玻爾和別的來自哥本哈根的人之間進(jìn)行。一般來說，玻爾在傍晚的時(shí)候就對(duì)這些理想實(shí)驗(yàn)完全心中有數(shù)了，他會(huì)在晚餐時(shí)把它們分析給愛因斯坦聽。愛因斯坦對(duì)這些分析提不出反駁，但在心里他是不服氣的?！?/span>
玻爾和愛因斯坦在1927年的索爾維會(huì)議上
玻爾被愛因斯坦難住了（上），玻爾想出了對(duì)策，喜笑顏開（下）
埃倫費(fèi)斯特也在一封信中描述過類似情景：“每晚凌晨1點(diǎn)，玻爾都到我房中來，直到凌晨3點(diǎn)，只對(duì)我說單獨(dú)的一個(gè)詞（ONE SINGLE WORD）?！辈査惺艿膲毫腿硇牡耐度肟上攵！拔艺娓吲d在玻爾與愛因斯坦交談時(shí)能夠在場(chǎng)，就像下棋。愛因斯坦總是有新的例子，在一定的意義上就是一種破壞測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的第二類永動(dòng)機(jī)……愛因斯坦就像一個(gè)盒中的玩偶，每天早晨都精神抖擻地跳出來?！笨磥韾垡蛩固雇砩弦矝]閑著，真夠玻爾應(yīng)付的?！安枏恼軐W(xué)的煙霧中不斷地找出各種工具，來摧毀這一個(gè)一個(gè)的例子?！?/span>
總之，1927年布魯塞爾的第五次索爾維會(huì)議，標(biāo)志著“玻愛爭(zhēng)論”的公開化，量子力學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這個(gè)里程碑似的時(shí)空點(diǎn)已深深刻在量子物理史及科學(xué)史上，并將載入史冊(cè)。
賽先生
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