1905年，愛(ài)因斯坦提出“光子假設”，成功解釋了光電效應，因此獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎；繼普朗克被稱(chēng)為“量子理論的奠基人”后，他成為量子理論的重要發(fā)展者。量子假說(shuō)與物理學(xué)界幾百年來(lái)信奉的“自然界是連續的”這一哲學(xué)思想相矛盾，因此量子理論出現后，許多物理學(xué)家都覺(jué)得難以接受。普朗克本人也十分懷疑，一度期望能把自己的量子假說(shuō)重新置入經(jīng)典物理學(xué)的框架中，甚至反對愛(ài)因斯坦的光量子說(shuō)。但是，歷史已經(jīng)將量子論推上了物理學(xué)新紀元的快車(chē)，量子論的發(fā)展勢不可擋，不光沒(méi)有等普朗克轉過(guò)彎來(lái)，甚至連愛(ài)因斯坦也沒(méi)追上其腳步。
1925年薛定諤和玻恩分別發(fā)表《波動(dòng)力學(xué)》和《矩陣力學(xué)》，建立了量子力學(xué)后，愛(ài)因斯坦卻成了量子力學(xué)的主要反對者。他不滿(mǎn)意量子力學(xué)的后續發(fā)展——以玻爾思想為代表的哥本哈根詮釋?zhuān)@一套詮釋明確指出自然法則中存在根本的隨機性，例如海森堡提出的著(zhù)名的“測不準原理”。這個(gè)原理指出，不可能同時(shí)精確地測量出粒子的動(dòng)量和位置，測量其動(dòng)量就不能測定位置，反之亦然。雖然在解釋事物的微觀(guān)行為時(shí)，量子力學(xué)能夠很好地處理原子和分子現象中的細節。然而，這一新理論的顛覆性比愛(ài)因斯坦對牛頓絕對時(shí)空的顛覆還要大。海森堡用測不準原理直接限制了人類(lèi)對微觀(guān)世界的認識，并告訴我們只能得到被影響過(guò)的結果，而且從理論上這個(gè)被測試影響的結果永遠不可能更精確。這讓愛(ài)因斯坦也無(wú)法接受。
薛定諤在1935年針對這種情況，設計了一個(gè)著(zhù)名的思想實(shí)驗“薛定諤的貓”：
把一只貓放進(jìn)一個(gè)封閉的盒子里，然后把這個(gè)盒子連接一個(gè)包含了一個(gè)放射性原子核和一個(gè)裝有有毒氣體的容器的實(shí)驗裝置。
設想這個(gè)放射性原子核在一個(gè)小時(shí)內有50%的可能性發(fā)生衰變。如果發(fā)生衰變，它將會(huì )發(fā)射出一個(gè)粒子，發(fā)射出的這個(gè)粒子將會(huì )觸發(fā)這個(gè)實(shí)驗裝置，打開(kāi)裝有毒氣的容器，從而殺死這只貓。根據量子力學(xué)，未進(jìn)行觀(guān)察時(shí)，這個(gè)原子核處于已衰變和未衰變的疊加態(tài)，但是，如果在一個(gè)小時(shí)后把盒子打開(kāi)，實(shí)驗者只能看到“衰變的原子核和死貓”或者“未衰變的原子核和活貓”兩種情況。
正常的故事中，我們會(huì )說(shuō)那只貓要么死了，要么活著(zhù)，兩者必居其一。但是在量子力學(xué)的那套解釋中，盒內系統處于兩種態(tài)的疊加之中，貓處于死活疊加態(tài)。顯然現實(shí)生活中沒(méi)人見(jiàn)過(guò)疊加態(tài)的貓，這種說(shuō)法是在“逗悶子”，貓顯然也很介意自己是活還是死，然而量子力學(xué)就是打定主意，讓這個(gè)不幸的動(dòng)物處于一種懸而未決的第三種狀態(tài)，直到有人打開(kāi)盒子看個(gè)究竟。這時(shí)，貓才會(huì )要么生龍活虎，要么一命嗚呼，它的死活取決于“打開(kāi)盒子看究竟”這個(gè)行為。
1927年9月，在意大利科摩湖畔召開(kāi)的紀念伏特逝世100周年大會(huì )上，玻爾以《量子公設和原子論的最新發(fā)展》為題作了講演。玻爾首先提出“互補原理”，指出微觀(guān)粒子現象的任何觀(guān)測，都必然使得粒子和測量?jì)x器間存在“原則上不可控制的相互作用”，因而我們不可能使微觀(guān)粒子的波動(dòng)性和粒子性在同一實(shí)驗中表現出來(lái)，因而必然得出測不準關(guān)系。粒子性和波動(dòng)性，位置和速度，以及能量和時(shí)間這些概念是互相排斥的，但在描述同一微觀(guān)現象時(shí)，這些互斥的概念又是互相補充、缺一不可的。而且，只有它們互相補充，我們才能夠得到完備的描述。依照這一原理，玻爾指出：“通常意義下的因果性問(wèn)題不復存在了。相對論改變了空間和時(shí)間的觀(guān)念，現在量子論將改變傳統的因果概念。相對論指出同時(shí)性的確定離不開(kāi)參考系的選擇，現在量子論則指出在微觀(guān)領(lǐng)域里不能忽視儀器對微觀(guān)客體的作用，所以，在這兒我們發(fā)現自己正同愛(ài)因斯坦走著(zhù)相同的道路?！?/p>
同年10月，比利時(shí)布魯塞爾舉行第五屆索爾維物理學(xué)會(huì )議。這次會(huì )議的主題是“電子和光子”，這是當時(shí)涉及物理學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。會(huì )議中討論的中心問(wèn)題就是在新出現的量子力學(xué)解釋中，是不是一定得采用測不準原理，還有沒(méi)有比互補原理更好的解決方法。
這次會(huì )議愛(ài)因斯坦和玻爾都參加了。愛(ài)因斯坦秉承他一貫不講情面的風(fēng)格，毫不猶豫地直說(shuō)他不喜歡測不準原理，互補原理也不是一種可以接受的好理論。他說(shuō)：“這個(gè)理論的缺點(diǎn)在于，它一方面無(wú)法與波動(dòng)概念發(fā)生更密切的聯(lián)系，另一方面又把基本物理過(guò)程的時(shí)間和空間拿來(lái)碰運氣。當主要的描述方法還不完備時(shí)，當然只能由此得出統計性的結果來(lái)，這是不足為奇的?！睈?ài)因斯坦認為哥本哈根學(xué)派的解釋?zhuān)徊贿^(guò)是一種過(guò)渡方案。他曾開(kāi)玩笑地問(wèn)玻爾：“難道你們真的相信上帝靠擲骰子辦事嗎？”玻爾也幽默地針?shù)h相對：“難道你不認為用普通的言語(yǔ)來(lái)描述神的旨意時(shí)，還是小心一點(diǎn)為妙嗎？”
3年之后，布魯塞爾舉行了第六屆索爾維物理學(xué)會(huì )議。大家都想看看上次會(huì )議的爭論還會(huì )不會(huì )繼續下去。會(huì )議一開(kāi)始，愛(ài)因斯坦設計了一個(gè)非常巧妙的“光盒”思想實(shí)驗，專(zhuān)攻測不準原理。按照科學(xué)家討論問(wèn)題的慣例，只要證明測不準原理在任何一個(gè)事件中不成立，就可以證明量子理論還不夠完備。
和“薛定諤的貓”一樣，“光盒”也是思想實(shí)驗，通過(guò)假想的實(shí)驗進(jìn)行邏輯推理，以檢驗思想的成熟性，這是理論物理學(xué)家重要的科學(xué)研究方法。愛(ài)因斯坦的“光盒”是一個(gè)假想的里面裝滿(mǎn)了輻射物質(zhì)的盒子，一側有一個(gè)小洞，洞口有一塊擋板，一個(gè)機械鐘可以控制擋板的開(kāi)關(guān)。當某一時(shí)刻洞門(mén)打開(kāi)，就會(huì )放出一個(gè)光子。愛(ài)因斯坦指出：光子跑出匣子的時(shí)間可以精確測出來(lái)，光子的能量可以簡(jiǎn)單地通過(guò)盒子質(zhì)量的變化以及質(zhì)能公式E=mc2精確地確定。這樣，測不準原理中不能同時(shí)測準時(shí)間和能量的規則就被打破，而準確性和因果性得到了維護，世界恢復正常。
玻爾和愛(ài)因斯坦
玻爾被難住了，他一晚上苦苦思索都沒(méi)個(gè)頭緒，本來(lái)打算投降了。第二天，他居然又找到一個(gè)絕妙的反駁，讓這個(gè)本來(lái)是終結測不準原理的思想實(shí)驗成了它最好的證明。玻爾找到了相對論中的另一個(gè)論斷：一只鐘如果沿重力方向發(fā)生位移，它的快慢會(huì )發(fā)生變化，因此，當光子跑出盒子時(shí)，由于匣子質(zhì)量發(fā)生了變化，從而造成了鐘表快慢的變化。這樣，在測量光子能量的同時(shí)就不能準確測量粒子跑出的時(shí)間了。這一反駁，實(shí)在是太妙了。愛(ài)因斯坦不得不承認，玻爾的反駁是完全正確的，盡管他還是不承認玻爾的理論是完備的、不需要補充的。
雖然玻爾始終無(wú)法改變愛(ài)因斯坦的看法，但他一再表示，正是從愛(ài)因斯坦的反對意見(jiàn)中，完善了自己量子力學(xué)的思想。他曾經(jīng)說(shuō)：“愛(ài)因斯坦的關(guān)懷和批評，很有價(jià)值地激勵我們所有人來(lái)再度檢驗和原子現象的描述有關(guān)的形勢的各個(gè)方面?！?/p>
授權方：湖北科學(xué)技術(shù)出版社
作者：梁軍
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