科技史上最伟大的理论与派别争斗：爱因斯坦和玻尔大争...

科技史上最伟大的理论与派别争斗：爱因斯坦和玻尔大争论（二）  前沿news 2019-01-04 21:37:54
【按】19世纪末到20世纪上半叶，可谓人类科学史上最为壮丽的时代，无数大家、巨擘与伟大的基础理论成果，短时间内如同核裂变一般出现或爆发，几乎奠定了如今社会飞速发展的一切基础。这些巨匠与成果如同银河中耀眼的星辰，彼此争相辉映。这种辉映大多都是通过辩论、吵闹甚至攻击、派别争斗中达成的。下文为你再现这段热闹纷飞而硕果累累的伟大场景。


上接（一），此为（二）：
1927年9月，为纪念伏打逝世100周年，意大利政府在科摩召开世界物理学大会。遗憾的是，爱因斯坦和薛定谔都别有要务，未能出席。这两位哥本哈根派主要敌手的缺席使得论战的火花向后推迟了个把月。玻尔在会上作了“互补原理”的报告。他指出，微观世界中粒子的任何运动，都需要通过测量仪器进行观测，粒子和仪器之间必然存在不可控制的相互作用，因而出现了测不准关系；像位置和速度、能量和时间这些概念，既是互相排斥的，又是互相补充的。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。
玻尔用大量哲学语言来阐述他的“互补原理”，这使与会的科学家感到惊愕：科学本来是要研究自然界客观规律的，是离不开因果性的，玻尔却别出心裁地把物理学建立在不确定的统计解释上。
索尔维会议是由一位比利时的实业家Ernest Solvay创立的，并以他的名字命名。1910年，他接受洛伦兹和能斯特的建议，慷慨解囊，资助物理学界，让世界上最有名望的物理学家们每三年聚会一次，讨论当前物理学的最新发展，大会主席通常由洛伦兹担任。第一届索尔维会议于1911年在布鲁塞尔召开，后来虽然一度被第一次世界大战所打断，但从1921年开始又恢复召开。
在1927年10月召开了第五届索尔维会议，出席这次会议的共有32位科学家，包括洛伦兹，普朗克，爱因斯坦，玻尔，玻恩，德布罗意，薛定谔，埃伦费斯特，海森伯，泡利，狄拉克等等，他们中有些是诺贝尔奖的获得者。这次会议的主题是“电子和光子”，讨论的焦点集中在新出现的量子力学是否要摒弃确定性原理上。会议由德高望重的洛伦兹主持，他首先表明了自己的态度：“在我看来，电子仅仅是个粒子，它在确定的时间，一定处在一个确定的位置，如果有人企图用可笑的几率观点来解释它，那是绝对错误的。” 出席会议的学者中和老洛伦兹持同一观点的人实是大有人在。他们不停地鼓掌。老人越说越激动，“我再也不会相信，现在所谓的科学还会与客观事实相符合。我也不知道我为什么还活着，我只遗憾自己没在五年之前死去，那时这些讨厌的东西至少还没在我眼前出现。”老人在为经典物理作最后几乎悲壮的辩护。
玻尔沉默不语，他只瞥了一眼坐在左边的爱因斯坦。这时的爱因斯坦早已威名赫赫，但他也是一言不发，只是不停地摆弄着手中的大烟斗。一直令玻尔惴惴不安的便是此君。


辩论会开始了，会场的气氛混乱不堪。洛伦兹用力拍着桌子，竭力使会场的气氛冷静下来，但是没有效果，后来荷兰物理学家埃伦费斯特，他是玻尔和爱因斯坦的好友，干脆跑到讲台上，写下几个大字：上帝真的使人们的语言混乱了！台下的人先是一阵惊愕，然后都会意地笑了起来。这是圣经上的一段典故：从前所有的人都是说一种语言的，后来这群人迁徙到东方的一片草原上来，决定修建高耸入云的巴比伦塔。上帝看到这个情形大为恐慌，看来如果人只要齐心协力，世界上没什么事情难得倒他们了。于是上帝把人分散到各个角落，并说种种不同的语言。经埃伦费斯特这一闹，大家的秩序反倒好多了，你推我让地轮流上台发言。
轮到玻尔时，他小心翼翼地开了头：“在最近几年里，我们都在一个全新的领域里进行探索，只有依靠自己精细的判断，才能避免落入遍布四周的陷阱里，首先，在这里我们应该感谢那些为我们奠定基础和提供工具的前人们。”然后他竭力用优美的语言表述了自己对量子力学基本原理的一些看法。这时玻尔还想把爱因斯坦争取过来，然而最后的努力失败了。
在随后的讨论会上爱因斯坦开始向玻尔发难。他首先准备攻击的是测不准原理，采用的方法还是用理想实验。爱因斯坦是理想实验的大行家，技巧之娴熟古今无人与之匹敌。爱因斯坦走到黑板前，画了一条线，中间留有一个小口，表示狭缝，旁边另外画条线表示底片。他承认当电子射过狭缝时，并不能准确预言电子会打在底片的哪一部分。但是它如果落在A点，就一定不可能落在B点，所以我们如果精确控制电子的能量和速度，就一定知道电子会落在何处。
玻尔的头脑此刻变得出奇的灵光起来，他马上也走上讲台，在缝隙的周围添了几根线，表示一个可开可闭的小窗，指出这扇小窗当然能减少光子碰撞对电子能量的影响，但是结果
是电子变得模糊不清了，显然它的位置和速度是不能够同时确定的。 爱因斯坦眯起眼想了
一会，又在黑板上加画了一条狭缝，和原来的狭缝平行，电子总不可能分身为二吧，这样
在打到底片上之前我们就可以断定究竟是经过哪条狭缝了，如此说来不就可以精确控制电
子的落点了么？
然而玻尔微笑着打断了他，“然而且慢，爱因斯坦先生，我提请您注意加上第二条缝时产生的衍射现象。”爱因斯坦顿时哑口无言。玻尔还认为，当我们对粒子测量时就要对它产生一些影响，当我们尽量减小对粒子的影响，减小到不影响粒子的地步时，也就不能知道它的位置，于是也就无法测量了。
整个讨论会已经演化成两个巨人的拳击赛。爱因斯坦的几记重拳都让玻尔灵巧地闪避了过去。直到太阳落山两位巨人的交锋仍然未果，爱因斯坦的几种设想都被否决了，可是两人之间的分歧相比来时并不见得小。
虽然爱因斯坦的发难被玻尔化解，但他的内心深处是很不服气的。他有一句名言；“你相信掷骰子的上帝，我却相信客观存在的世界中的完备定律和秩序。”
第一场争论过后，玻尔曾向爱因斯坦伸出和解之手。玻尔把量子论和相对论做比较，他指出，相对论提出同时性的确定离不开参照系的选择，量子论则指出微观领域中不能忽视实验仪器对微观客体的影响，因此两者在方法论上是一致的。
花开花落，黄叶飘零，又是秋风季节。1930年，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开了。玻尔来到会场时心中惴惴不安，看爱因斯坦表情似笑非笑，吃不准他三年间练成了什么新招，不知到了一个什么境界。不过玻尔倒也不是太过担心，量子论的兴起已经是板上钉钉的事实，现在整个体系早就站稳脚跟，枝繁叶茂地生长起来。爱因斯坦再厉害，凭一人之力也难以撼动它的根基。玻尔当年的弟子们，海森伯、泡利等，如今也都是独当一面的大宗师了，哥本哈根学派名震整个物理界，玻尔自信吃不了大亏。
爱因斯坦则在盘算另一件事：量子论方兴未艾，要打败它的确太难了。可是难道因果律和经典理论就这么完了不成？不可能，量子论一定是错的！嗯，想来想去，要破量子论，只有釜底抽薪，击溃它的基础才行。爱因斯坦凭着和玻尔交手的经验知道，在细节问题上是争不出个什么所以然的，量子论就像神话中那个九头怪蛇海德拉(Hydra)，你砍掉它一个头马上会再生一个出来。必须得瞄准最关键的那一个头才行，这个头就是其精髓所在：不确定原理！


本来第六届索尔维物理学大会主要讨论“物质的磁性”，爱因斯坦显然有备而来，他不顾大会的主题，挑起新的论战。爱因斯坦又提出了一个新的理想实验，试图从能量和时间这一对互补变量的测定来否定测不准关系。爱因斯坦设计了一个“光子箱”：如图所示，由理想镜面构成的箱子用弹簧悬挂在支架上，箱子外侧有一指针对着刻度以显示箱子质量的变化，箱壁上开个小孔，并设有用计时装置控制的快门。爱因斯坦指出：从快门开启到闭合的一瞬间，只让一个光子飞出，通过的时间可以用装在快门上的计时装置精确地测量到；由于飞出一个光子而引起的整个箱子质量的改变也可以从刻度的变化精确地测量到，根据E=mc2,便能计算出箱子内的能量的变化。这样，时间和能量这一对互补变量同时被精确地测量到，测不准关系不再成立。
这可以说是爱因斯坦凝聚了毕生功夫的一击，其中还包含了他的成名绝技相对论。这一招果然厉害；玻尔对此毫无思想准备，他大吃一惊，一时想不出任何反击的办法。据目击者说，他“面色苍白，呆若木鸡”，张口结舌地说不出话来。整个晚上他都闷闷不乐，搜肠刮肚，苦思冥想。经过一个不眠之夜的苦苦思索，玻尔还是找到了爱因斯坦诘难的疏漏之处。
在第二天的会议上，玻尔胸有成竹地指出：如果光子箱的重量是由弹簧秤来测定的，那么当光子飞出去而引起箱子的重量发生变化时，箱子必定沿着重力方向发生运动；由于箱子在重力场中发生位移，箱内时钟的快慢也因广义相对论的红移效应而发生改变，从而使时间的测定产生误差。玻尔由此得出结论：用这种仪器作为精确地测定光子能量的工具，将不能控制光子逸出的时间。由于玻尔的回答采用了爱因斯坦自己创立的广义相对论，这就使得爱因斯坦不得不承认玻尔的结论是正确的。爱因斯坦精心设计的“光子箱”的理想实验非但没有难倒玻尔，反而成了测不准原理的一个极好的例证。

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