科技史上最偉大的理論與派別爭鬥:愛因斯坦和玻爾大爭論(一)

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愛因斯坦和玻爾之間的著名爭論,長期以來一直是學術界關心的熱門話題,對於這一問題,從不同的研究角度和目的出發,得出了不同甚至完全相反的結論。現在,我也要加入這場討論,最後的結論只能算一家之言吧。

爭論,在科學領域里是件好事。大自然不肯輕易地以真面目示人,它常常把假象呈現給我們,而把真相隱藏起來。爭論就是去偽存真的有效方法之一。每個科學家都認為自己提出的理論是正確的,但一些人往往注重事物的這一面而忽視了另一面,別人可能有不同的看法,這時爭論是最好的解決方法。

爭論和爭吵有什麼異同?爭論和爭吵都有一個「爭」字。爭,表示對抗、表示為自己的利益而努力。爭,沒有褒貶之分。差別就在後兩個字上。吵,就是大聲嚷嚷,誰的氣勢兇誰就占上風。論,就是辯論,就是用擺事實講道理的方法分出勝負。在科學界,科學家們獻身於人類的文明與進步,他們應當是心胸開闊、光明磊落的人。在他們之間因學術觀點不同而發生的爭執應當稱為爭論。

科學史上曾發生過多次爭論:例如關於光的波動說和微粒說的爭論;關於熱質說和熱動說的爭論;關於陰極射線的本質的爭論。爭論必定樹立起對立面,爭論的雙方都認為自己的觀點是正確的,想方設法駁倒對方。但是,歪理可以有千百條,真理卻只有一條。以上爭論的結果是:光的本質是波,是橫波,是特定波長的電磁波,而不是粒子;熱的本質是微觀粒子的運動而不是「熱素」;陰極射線的本質是電子流而不是電磁波。

不過,在科學史上有一場爭論比較特殊,這就是愛因斯坦和玻爾關於量子力學完備性的爭論。這場爭論有三大特點。第一,愛玻之爭曠日持久,從 1926 年到 1955 年愛因斯坦去世為止整整 30 年,雙方耿耿於懷,據說玻爾逝世前桌上還放著「光子箱」的圖畫。第二,這場爭論以「理想實驗」定勝負,這在科學史上是絕無僅有的。以往的爭論都是以觀察到的事實或實驗的結果為依據,進行邏輯思維,從而得出正確的結論;而這場爭論卻是圍繞著不能實地去做的「理想實驗」展開的,這就把科學爭論引導到脫離實際的歧路上去。第三,這場爭論的性質和勝負至今沒有定論。有些爭論,在當事人那里沒有結果或錯誤的觀點占了上風,但經過幾代科學家的努力,得出正確的結論。例如牛頓和惠更斯關於光的本質的爭論,經過楊氏實驗和赫茲的證明,已經得出正確的結論。

關於量子力學完備性的爭論,愛因斯坦和玻爾生前互不相讓,後人試圖製造出一種理論,抹平他們之間爭論的焦點,做一個「他們倆誰也沒有錯」的和事佬。如果判愛因斯坦正確,就會損害玻爾的形象;如果站在玻爾一邊,又會影響愛因斯坦的聲譽。這些人的願望是好的,但這種中庸之道不可取。 50 年後作為我們這些後人,就不應該繼續做和事佬,抹平他們之間的矛盾,而應該正視客觀事實,辨一辨他們之間的是非曲直。

讓我們循著他們爭論的軌跡,探究這場爭論的起因、焦點和實質吧。

事情還得從頭說起。

量子理論首先是由普朗克提出的。他在研究黑體輻射時想到,輻射能不是像水流一樣連續不斷地從小孔中流出,而是像機關槍的子彈那樣一束一束發出的。輻射是由一份份能量組成,就像物質是由一個個原子組成的一樣。輻射中的一份能量就是一個量子。量子的能量大小是由輻射的波長和頻率決定的。量子等於頻率乘上一個常數,這個常數後來就叫普朗克常數。

1900年12月14日,普朗克在德國物理學會的一次會議上提出了上述觀點。在此之前,經典力學認為一切自然過程都是連續的,任何一個現象都是由它的過去決定的,只要給定一個物體的初始狀態,就可以根據力學定律,推出物體過去和將來的狀況。

愛因斯坦接過量子說的大旗,他認為在解釋光電效應時,光是一份份的光量子。愛因斯坦不愧是「統一」的大師,他用E=mc2把質量和能量在本質上統一起來,他還要把兩者在形式上統一起來。他認為,光的表現形式和物質的表現形式存在著尖銳的矛盾:光是電磁波,是連續的;而物質是由一個個原子組成的,是不連續的。要解決這一矛盾,只有肯定光和物質一樣,都是由一顆顆微粒構成的,是不連續的。光量子不僅在發射和吸收時以微粒形式出現,並且以微粒的形式在空間傳播。

愛因斯坦是量子論的傳承者,怎麼後來倒過來站到量子力學的對立面呢?一些人把年輕的愛因斯坦與年老的愛因斯坦對立起來,認為年輕的愛因斯坦思想開放、善於吸收新思想,年老的愛因斯坦固步自封、思想僵化。難道,量子論的精華——不連續性——也表現在人的思想上?

接著加入量子論麾下的是尼爾斯·玻爾。玻爾是丹麥人,比愛因斯坦小六歲。大學畢業後,玻爾曾在英國的卡文迪什實驗室和盧瑟福實驗室工作過。盧瑟福根據α粒子轟擊金箔的實驗推斷出原子模型像一個微型太陽系,電子在不同的軌道上繞原子核不停地旋轉。1913年,玻爾把盧瑟福的原子模型和量子論結合起來。他認為:電子沿著核外若干層穩定的軌道上運行,每種軌道相當於一定的能級;當電子從一個軌道躍遷到另一軌道,這個能級的變化就反映在吸收或輻射一定能量的光或熱。原子結構的這種模型,就叫盧瑟福~玻爾模型。

按照這個模型,X射線和內層電子的能級變化有關;可見光、紅外線和紫外線起源於外層電子能級的變化;放射現象則和原子核的變化有關。

二十世紀,科學進入了原子時代。僅對原子結構作簡單的描述是不夠的,還要深入到原子的內部,對組成原子的微粒的運動以及能量的變化作進一步的研究。這些就是量子力學要解決的問題。

牛頓力學要解決宏觀世界中力的作用和物體運動的規律,運動中的物體可以用肉眼或借助望遠鏡觀察得到。量子力學複雜得多。用最高倍的顯微鏡也觀察不到原子內部的變化情況,只能通過實驗結果推導出某些結論。因此量子力學任重而道遠,碰到一些挫折、走了一些彎路也是在所難免的。

1921年,玻爾在哥本哈根建立了理論物理研究所,不久它就一躍成為世界現代物理研究的中心之一。由於卓越的主管和平易近人的作風,玻爾把那些世界上最富有才氣、最敏銳的學者集合在自己的周圍。許多有名的物理學家都到這里學習和工作過,這里不僅出研究成果,更可貴的是創造了哥本哈根精神:以集體討論和自由探索為特徵的研究風格。

量子力學是關於原子中的粒子及其相互作用規律的科學。玻爾的理論只能解釋單電子的原子模型,對於多電子系統的原子模型,玻爾理論就捉襟見肘了。為了擺脫困境,玻爾他們引進一個又一個新的假設,建立一個又一個新的模型。有的甚至違反了玻爾和索末菲制訂的規則。思想活躍的年輕一代拒絕這個補丁累累的系統,努力尋求新的突破。在這個陣營里,出現了兩個學派:一方是以玻爾、海森伯、玻恩為代表,人稱哥本哈根學派;另一方是法國的德布羅意和奧地利的薛定諤。愛因斯坦雖然早年發表過量子方面的文章,但此時正在研究統一場論。不過,在這兩派之間,愛因斯坦顯然是站在德波羅意和薛定諤一邊。

在量子力學中,按哥本哈根學派的解釋,軌道是形象的說法,是指電子出現幾率最大的地方,根本沒有運動軌道這一概念。這一現象是與不確定關係緊密相關的。不確定關係又叫「測不準原理」。它指出,任何物理量都不可能在未被干擾的情況下被測量和觀察到。因此,人們不可能同時準確地測定微粒的位置和速度,也不可能同時準確地測定其能量和時間。要想精確地測定其位置,就無法精確地測定其速度;要想精確地測定其速度,就無法精確地測定其位置。

完整地說,量子力學哥本哈根學派詮釋包括三個主要方面,海森伯的「測不準關係」、玻爾的「互補原理」和玻恩對波函數的幾率解釋。由於玻爾等人的努力,這些看法逐漸得到大多數人的承認,因此也被稱為量子力學的「正統」解釋。

然而,愛因斯坦不能接受這一理論,他決不拋棄因果律而去接受可能性。他認為量子力學主要的描述方式是不完備的,從而限制了對客觀世界的完備認識,所以只能得出不確定的結果。他堅信,從根本上說,自然界每一個單獨事件是由一個精確的物理定律所控制。就在玻恩提出波函數的幾率解釋之後,愛因斯坦做出了十分著名的評價:「量子力學固然是堂皇的,可是有一種內在的聲音告訴我,它還不是那真實的東西。這理論說得很多,但是一點也沒有真正使我們更加接近於上帝的秘密。我無論如何深信上帝是不會擲骰子的。」這是1926年冬季的事。此時愛因斯坦表示了對哥本哈根學派的不滿,爭論還沒有公開化。延伸與升華

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