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上帝擲骰子嗎——量子物理史話(huà)(8)
上帝擲骰子嗎——量子物理史話(huà)(8)   [閱讀: 4690] [教育科技] 2006-4-22

第八章 論戰

意大利北部的科莫市(Como)是一個(gè)美麗的小城,北臨風(fēng)景勝地科莫湖,與米蘭相去不遠。它市中心那幾座著(zhù)名的教堂洋溢著(zhù)哥特式風(fēng)格以及文藝復興時(shí)代的氣息,折射出這個(gè)國家那悠遠的歷史和文化沉淀。這個(gè)小城也有一支足球隊——科莫隊,在上個(gè)賽季(2002-2003)還打入了甲級聯(lián)賽,可惜現在又降級了。一度報道說(shuō),它對中國球員吳承瑛有興趣,想來(lái)對球迷不算陌生。

不過(guò),科莫市最著(zhù)名的人物,當然還是1745年出生于此的大科學(xué)家,亞里山德羅?伏打(Alessandro Volta)。他在電學(xué)方面的成就如此偉大,以致人們用他的名字來(lái)作為電壓的單位:伏特(volt)。伏打于1827年9月去世,被他的家鄉視為永遠的光榮和驕傲。他出世的地方被命名為伏打廣場(chǎng),他的雕像自1839年起聳立于此。他的名字被用來(lái)命名教堂和科莫湖畔的燈塔,他的光輝照耀這個(gè)城鎮,給它帶來(lái)世界性的聲名。

斗轉星移,眨眼間已是1927,科學(xué)巨人已離開(kāi)我們整整100周年。一向安靜寧謐的科莫忽然又熱鬧起來(lái),新時(shí)代的科學(xué)大師們又聚集于此,在紀念先人的同時(shí)探討物理學(xué)的最新進(jìn)展??颇獣?huì )議邀請了當時(shí)幾乎所有的最杰出的物理學(xué)家,洵為盛會(huì )。赴會(huì )者包括玻爾、海森堡、普朗克、泡利、波恩、洛倫茲、德布羅意、費米、克萊默、勞厄、康普頓、魏格納、索末菲、德拜、馮諾依曼(當然嚴格說(shuō)來(lái)此人是數學(xué)家)……遺憾的是,愛(ài)因斯坦和薛定諤都別有要務(wù),未能出席。這兩位哥本哈根派主要敵手的缺席使得論戰的火花向后推遲了幾個(gè)月。同樣沒(méi)能趕到科莫的還有狄拉克和玻色。其中玻色的case頗為離奇:大會(huì )本來(lái)是邀請了他的,但是邀請信發(fā)給了“加爾各答大學(xué)物理系的玻色教授”。顯然這封信是寄給著(zhù)名的S.N.玻色,也就是發(fā)現了玻色-愛(ài)因斯坦統計的那個(gè)玻色,他和愛(ài)因斯坦還預測了有名的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現象。2001年,3位分別來(lái)自美國和德國的科學(xué)家因為以實(shí)驗證實(shí)了這一現象而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

不過(guò)在1927年,玻色早就離開(kāi)了加爾各答去了達卡大學(xué)。但無(wú)巧不成書(shū),加爾各答還有一個(gè)D.M.玻色。陰差陽(yáng)錯之下,這個(gè)名不見(jiàn)經(jīng)傳的“玻色”就參加了眾星云集的科莫會(huì )議,也算是飯后的一大談資吧。

在準備科莫會(huì )議講稿的過(guò)程中,互補原理的思想進(jìn)一步在玻爾腦中成型。他決定在這個(gè)會(huì )議上把這一大膽的思想披露出來(lái)。在準備講稿的同時(shí),他還給Nature雜志寫(xiě)短文以介紹這個(gè)發(fā)現,事情太多而時(shí)間倉促,最后搞得他手忙腳亂。在出發(fā)前的一剎那,他竟然找不到他的護照——這耽誤了幾個(gè)小時(shí)的火車(chē)。

但是,不管怎么樣,玻爾最后還是完成那長(cháng)達8頁(yè)的講稿,并在大會(huì )上成功地作了發(fā)言。這個(gè)演講名為《量子公設和原子論的最近發(fā)展》,在其中玻爾第一次描述了波-粒的二象性,用互補原理詳盡地闡明我們對待原子尺度世界的態(tài)度。他強調了觀(guān)測的重要性,聲稱(chēng)完全獨立和絕對的測量是不存在的。當然互補原理本身在這個(gè)時(shí)候還沒(méi)有完全定型,一直要到后來(lái)的索爾維會(huì )議它才算最終完成,不過(guò)這一思想現在已經(jīng)引起了人們的注意。

波恩贊揚了玻爾“中肯”的觀(guān)點(diǎn),同時(shí)又強調了量子論的不確定性。他特別舉了波函數“坍縮”的例子,來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。這種“坍縮”顯然引起了馮諾伊曼的興趣,他以后會(huì )證明關(guān)于它的一些有趣的性質(zhì)。海森堡和克萊默等人也都作了評論。

當然我們也要指出的是,許多不屬于“哥本哈根派”的人物,對玻爾等人的想法和工作一點(diǎn)都不熟悉,這種互補原理對他們來(lái)說(shuō)令人迷惑不解。許多人都以為這不過(guò)是一種文字游戲,是對大家都了解的情況“換一種說(shuō)法”罷了。正如羅森菲爾德(Rosenfeld)后來(lái)在訪(fǎng)談節目中評論的:“這個(gè)互補原理只是對各人所清楚的情況的一種說(shuō)明……科莫會(huì )議并沒(méi)有明確論據,關(guān)于概念的定義要到后來(lái)才作出。”尤金?魏格納(Eugene Wigner)總結道:“……(大家都覺(jué)得,玻爾的演講)沒(méi)能改變任何人關(guān)于量子論的理解方式。”

但科莫會(huì )議的歷史作用仍然不容低估,互補原理第一次公開(kāi)亮相,標志著(zhù)哥本哈根解釋邁出了關(guān)鍵的一步。不久出版了玻爾的講稿,內容已經(jīng)有所改進(jìn),距離這個(gè)解釋的最終成熟只差最后一步了。

在哥本哈根派聚集力量的同時(shí),他們的反對派也開(kāi)始為最后的決戰做好準備。對于愛(ài)因斯坦來(lái)說(shuō),一個(gè)沒(méi)有嚴格因果律的物理世界是不可想象的。物理規律應該統治一切,物理學(xué)應該簡(jiǎn)單明確:A導致了B,B導致了C,C導致了D。每一個(gè)事件都有來(lái)龍去脈,原因結果,而不依賴(lài)于什么“隨機性”。至于拋棄客觀(guān)實(shí)在,更是不可思議的事情。這些思想從他當年對待玻爾的電子躍遷的看法中,已經(jīng)初露端倪。1924年他在寫(xiě)給波恩的信中堅稱(chēng):“我決不愿意被迫放棄嚴格的因果性,并將對其進(jìn)行強有力的辯護。我覺(jué)得完全不能容忍這樣的想法,即認為電子受到輻射的照射,不僅它的躍遷時(shí)刻,而且它的躍遷方向,都由它自己的‘自由意志’來(lái)選擇。”

舊量子論已經(jīng)讓愛(ài)因斯坦無(wú)法認同,那么更加“瘋狂”的新量子論就更使他忍無(wú)可忍了。雖然愛(ài)因斯坦本人曾經(jīng)提出了光量子假設,在量子論的發(fā)展歷程中作出過(guò)不可磨滅的貢獻,但現在他卻完全轉向了這個(gè)新生理論的對立面。愛(ài)因斯坦堅信,量子論的基礎大有毛病,從中必能挑出點(diǎn)刺來(lái),迫使人們回到一個(gè)嚴格的,富有因果性的理論中來(lái)。玻爾后來(lái)回憶說(shuō):“愛(ài)因斯坦最善于不拋棄連續性和因果性來(lái)標示表面上矛盾著(zhù)的經(jīng)驗,他比別人更不愿意放棄這些概念。”

兩大巨頭未能在科莫會(huì )議上碰面,然而低頭不見(jiàn)抬頭見(jiàn),命運已經(jīng)在冥冥中安排好了這樣的相遇不可避免。僅僅一個(gè)多月后,另一個(gè)歷史性的時(shí)刻就到來(lái)了,第五屆索爾維會(huì )議在比利時(shí)布魯塞爾召開(kāi)。這一次,各路冤家對頭終于聚首一堂,就量子論的問(wèn)題作一個(gè)大決戰。從黃金年代走來(lái)的老人,在革命浪潮中成長(cháng)起來(lái)的反叛青年,經(jīng)典體系的莊嚴守護者,新時(shí)代的冒險家,這次終于都要作一個(gè)最終了斷。世紀大辯論的序幕即將拉開(kāi),像一場(chǎng)熊熊的大火燃燒不已,而量子論也將在這大火中接受最嚴苛的洗禮,鍛燒出更加璀璨的光芒來(lái)。

布魯塞爾見(jiàn)。

*********
飯后閑話(huà):海森堡和德國原子彈計劃(一)

如果說(shuō)玻爾-愛(ài)因斯坦之爭是二十世紀科學(xué)史上最有名的辯論,那么海森堡在二戰中的角色恐怕就是二十世紀科學(xué)史上最大的謎題。不知多少歷史學(xué)家為此費盡口水,牽涉到數不清的跨國界的爭論。甚至到現在,還有人不斷地提出異議。我打算在這一章的飯后閑話(huà)里專(zhuān)門(mén)地來(lái)談一談這個(gè)話(huà)題,這件事說(shuō)來(lái)話(huà)長(cháng),可能要用掉一整章,我們還是廢話(huà)少說(shuō),這就開(kāi)始吧。

納粹德國為什么沒(méi)能造出原子彈?戰后幾乎人人都在問(wèn)這個(gè)問(wèn)題。是政策上的原因?理論上的原因?技術(shù)上的原因?資源上的原因?或是道德上的原因?不錯,美國造出了原子彈,他們有奧本海默,有費米,有勞倫斯、貝特、西伯格、魏格納、查德威克、佩爾斯、弗里西、塞格雷,后來(lái)又有了玻爾,以致像費因曼這樣的小字輩根本就不起眼,而洛斯阿拉莫斯也被稱(chēng)作“諾貝爾得獎?wù)叩募袪I(yíng)”。但德國一點(diǎn)也不差。是的,希特勒的猶太政策趕走了國內幾乎一半的精英,納粹上臺的第一年,就有大約2600名學(xué)者離開(kāi)了德國,四分之一的物理學(xué)家從德國的大學(xué)辭職而去,到戰爭前夕已經(jīng)有40%的大學(xué)教授失去了職位。是的,整個(gè)軸心國流失了多達27名諾貝爾獲獎?wù)?,其中甚至包括?ài)因斯坦、薛定諤、費米、波恩、泡利、德拜這樣最杰出的人物,這個(gè)數字還不算間接損失的如玻爾之類(lèi)。但德國憑其驚人的實(shí)力仍保有對抗全世界的能力。

戰爭甫一爆發(fā),德國就展開(kāi)了原子彈的研究計劃。那時(shí)是1939年,全世界只有德國一家在進(jìn)行這樣一個(gè)原子能的軍事應用項目。德國占領(lǐng)著(zhù)世界上最大的鈾礦(在捷克斯洛伐克),德國有世界上最強大的化學(xué)工業(yè),他們仍然擁有世界上最好的科學(xué)家,原子的裂變現象就是兩個(gè)德國人——奧托?哈恩(Otto Hahn)和弗里茲?斯特拉斯曼(Fritz Strassmann)在前一年發(fā)現的,這兩人都還在德國,哈恩以后會(huì )因此發(fā)現獲得諾貝爾化學(xué)獎。當然不止這兩人,德國還有勞厄(1914年諾貝爾物理)、波特(Bothe,1954諾貝爾物理)、蓋革(蓋革計數器的發(fā)明者,他進(jìn)行了α散射實(shí)驗)、魏扎克(Karl von Weizsacker)、巴格(Erich Bagge)、迪布納(Kurt Diebner)、格拉赫(Walther Gerlach)、沃茲(Karl Wirtz)……當然,他們還有定海神針海森堡,這位20世紀最偉大的物理學(xué)家之一。所有的這些科學(xué)家都參與了希特勒的原子彈計劃,成為“鈾俱樂(lè )部”的成員之一,海森堡是這個(gè)計劃的總負責人。

然而,德國并沒(méi)能造出原子彈,它甚至連門(mén)都沒(méi)有入。從1942年起,德國似乎已經(jīng)放棄整個(gè)原子彈計劃,而改為研究制造一個(gè)能提供能源的原子核反應堆。主要原因是因為1942年6月,海森堡向軍備部長(cháng)斯佩爾(Albert Speer)報告說(shuō),鈾計劃因為技術(shù)原因在短時(shí)間內難以產(chǎn)出任何實(shí)際的結果,在戰爭期間造出原子彈是不大可能的。但他同時(shí)也使斯佩爾相信,德國的研究仍處在領(lǐng)先的地位。斯佩爾將這一情況報告希特勒,當時(shí)由于整個(gè)戰場(chǎng)情況的緊迫,德國的研究計劃被迫采取一種急功近利的方略,也就是不能在短時(shí)間,確切地說(shuō)是六周內見(jiàn)效的計劃都被暫時(shí)放在一邊。希特勒和斯佩爾達成一致意見(jiàn):對原子彈不必花太大力氣,不過(guò)既然在這方面仍然“領(lǐng)先”,也不妨繼續撥款研究下去。當時(shí)海森堡申請附加的預算只有寥寥35萬(wàn)帝國馬克,有它無(wú)它都影響不大。

這個(gè)計劃在被高層放任了近2年后,終于到1944年又為希姆萊所注意到。他下令大力撥款,推動(dòng)原子彈計劃的前進(jìn),并建了幾個(gè)新的鈾工廠(chǎng)。計劃確實(shí)有所進(jìn)展,不過(guò)到了那時(shí),全德國的工業(yè)早已被盟軍的轟炸破壞得體無(wú)完膚,難以進(jìn)一步支撐下去。而且為時(shí)也未免太晚,不久德國就投降了。

1942年的報告是怎么一回事?海森堡在其中扮演了一個(gè)什么樣的角色?這答案撲朔迷離,歷史學(xué)家們各執一詞,要不是新證據的逐一披露,恐怕人們至今仍然在云里霧中。這就是科學(xué)史上有名的“海森堡之謎”。

索爾維會(huì )議是由一位比利時(shí)的實(shí)業(yè)家Ernest Solvay創(chuàng )立的,并以他的名字命名。第一屆索爾維會(huì )議于1911年在布魯塞爾召開(kāi),后來(lái)雖然一度被第一次世界大戰所打斷,但從1921年開(kāi)始又重新恢復,定期3年舉行一屆。到了1927年,這已經(jīng)是第五屆索爾維會(huì )議了,也許,這也將是最著(zhù)名的一次索爾維會(huì )議。

這次會(huì )議彌補了科莫的遺憾,愛(ài)因斯坦,薛定諤等人都如約而至。目前流傳得最廣的那張“物理學(xué)全明星夢(mèng)之隊”的照片,就是這次會(huì )議的合影。當然世事無(wú)完美,硬要挑點(diǎn)缺陷,那就是索末菲和約爾當不在其中,不過(guò)我們要求不能太高了,人生不如意者還是十有八九的。

這次會(huì )議從10月24日到29日,為期6天。主題是“電子和光子”(我們還記得,“光子-photon”是個(gè)新名詞,它剛剛在1926年由美國人劉易斯所提出),會(huì )議議程如下:首先勞倫斯?布拉格作關(guān)于X射線(xiàn)的實(shí)驗報告,然后康普頓報告康普頓實(shí)驗以及其和經(jīng)典電磁理論的不一致。接下來(lái),德布羅意作量子新力學(xué)的演講,主要是關(guān)于粒子的德布羅意波。隨后波恩和海森堡介紹量子力學(xué)的矩陣理論,而薛定諤介紹波動(dòng)力學(xué)。最后,玻爾在科莫演講的基礎上再次做那個(gè)關(guān)于量子公設和原子新理論的報告,進(jìn)一步總結互補原理,給量子論打下整個(gè)哲學(xué)基礎。這個(gè)議程本身簡(jiǎn)直就是量子論的一部微縮史,從中可以明顯地分成三派:只關(guān)心實(shí)驗結果的實(shí)驗派:布拉格和康普頓;哥本哈根派:玻爾、波恩和海森堡;還有哥本哈根派的死敵:德布羅意,薛定諤,以及坐在臺下的愛(ài)因斯坦。

會(huì )議的氣氛從一開(kāi)始便是火熱的,像拳王爭霸賽一樣,重頭戲到來(lái)之前先有一系列的墊賽:大家先就康普頓的實(shí)驗做了探討,然后各人分成了涇渭分明的陣營(yíng),互相炮轟。德布羅意一馬當先做了發(fā)言,他試圖把粒子融合到波的圖像里去,提出了一種“導波”(pivot wave)的理論,認為粒子是波動(dòng)方程的一個(gè)奇點(diǎn),它必須受波的控制和引導。泡利站起來(lái)狠狠地批評這個(gè)理論,他首先不能容忍歷史車(chē)輪倒轉,回到一種傳統圖像中,然后他引了一系列實(shí)驗結果來(lái)反駁德布羅意。眾所周知,泡利是世界第一狙擊手,誰(shuí)要是被他盯上了多半是沒(méi)有好下場(chǎng)的,德布羅意最后不得不公開(kāi)聲明放棄他的觀(guān)點(diǎn)。幸好薛定諤大舉來(lái)援,不過(guò)他還是堅持一個(gè)非常傳統的解釋?zhuān)@連盟軍德布羅意也覺(jué)得不大滿(mǎn)意,泡利早就嘲笑薛定諤為“幼稚”。波恩和海森堡躲在哥本哈根掩體后面對其開(kāi)火,他們在報告最后說(shuō):“我們主張,量子力學(xué)是一種完備的理論,它的基本物理假說(shuō)和數學(xué)假設是不能進(jìn)一步修改的。”他們也集中火力猛烈攻擊了薛定諤的“電子云”,后者認為電子的確在空間中實(shí)際地如波般擴散開(kāi)去。海森堡評論說(shuō):“我從薛定諤的計算中看不到任何東西可以證明事實(shí)如同他所希望的那樣。”薛定諤承認他的計算確實(shí)還不太令人滿(mǎn)意,不過(guò)他依然堅持,談?wù)撾娮拥能壍朗?#8220;胡扯”(應該是波本征態(tài)的疊加),波恩回敬道:“不,一點(diǎn)都不是胡扯。”在一片硝煙中,會(huì )議的組織者,老資格的洛倫茲也發(fā)表了一些保守的觀(guān)點(diǎn),and so on and so on……

愛(ài)因斯坦一開(kāi)始按兵不動(dòng),保持著(zhù)可怕的沉默,不過(guò)當波恩提到他的名字后,他終于忍不住出擊了。他提出了一個(gè)模型:一個(gè)電子通過(guò)一個(gè)小孔得到衍射圖像。愛(ài)因斯坦指出,目前存在著(zhù)兩種觀(guān)點(diǎn),第一是說(shuō)這里沒(méi)有“一個(gè)電子”,只有“一團電子云”,它是一個(gè)空間中的實(shí)在,為德布羅意-薛定諤波所描述。第二是說(shuō)的確有一個(gè)電子,而ψ是它的“幾率分布”,電子本身不擴散到空中,而是它的幾率波。愛(ài)因斯坦承認,觀(guān)點(diǎn)II是比觀(guān)點(diǎn)I更加完備的,因為它整個(gè)包含了觀(guān)點(diǎn)I。盡管如此,愛(ài)因斯坦仍然說(shuō),他不得不反對觀(guān)點(diǎn)II。因為這種隨機性表明,同一個(gè)過(guò)程會(huì )產(chǎn)生許多不同的結果,而且這樣一來(lái),感應屏上的許多區域就要同時(shí)對電子的觀(guān)測作出反應,這似乎暗示了一種超距作用,從而違背相對論。

風(fēng)云變幻,龍虎交濟,現在兩大陣營(yíng)的幕后主將終于都走到臺前,開(kāi)始進(jìn)行一場(chǎng)決定命運的單挑??上У氖?,玻爾等人的原始討論記錄沒(méi)有官方資料保存下來(lái),對當時(shí)情景的重建主要依靠幾位當事人的回憶。這其中有玻爾本人1949年為慶祝愛(ài)因斯坦70歲生日而應邀撰寫(xiě)的《就原子物理學(xué)中的認識論問(wèn)題與愛(ài)因斯坦進(jìn)行的商榷》長(cháng)文,有海森堡、德布羅意和埃侖菲斯特的回憶和信件等等。當時(shí)那一場(chǎng)激戰,討論的問(wèn)題中有我們已經(jīng)描述過(guò)的那個(gè)電子在雙縫前的困境:如何選擇它的路徑以及快速地關(guān)閉/打開(kāi)一條狹縫對電子產(chǎn)生的影響。還有許許多多別的思維實(shí)驗。埃侖費斯特在寫(xiě)給他那些留守在萊登的弟子們(烏侖貝特和古德施密特等)的信中描述說(shuō):愛(ài)因斯坦像一個(gè)彈簧玩偶,每天早上都帶著(zhù)新的主意從盒子里彈出來(lái),而玻爾則從云霧繚繞的哲學(xué)中找到工具,把對方所有的論據都一一碾碎。

海森堡1967年的回憶則說(shuō):

“討論很快就變成了一場(chǎng)愛(ài)因斯坦和玻爾之間的決斗:當時(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困難的最終答案呢?我們一般在旅館用早餐時(shí)就見(jiàn)面了,于是愛(ài)因斯坦就描繪一個(gè)思維實(shí)驗,他認為從中可以清楚地看出哥本哈根解釋的內部矛盾。然后愛(ài)因斯坦,玻爾和我便一起走去會(huì )場(chǎng),我就可以現場(chǎng)聆聽(tīng)這兩個(gè)哲學(xué)態(tài)度迥異的人的討論,我自己也常常在數學(xué)表達結構方面插幾句話(huà)。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——大多數是我和泡利——就試著(zhù)分析愛(ài)因斯坦的實(shí)驗,而在吃午飯的時(shí)候討論又在玻爾和別的來(lái)自哥本哈根的人之間進(jìn)行。一般來(lái)說(shuō)玻爾在傍晚的時(shí)候就對這些理想實(shí)驗完全心中有數了,他會(huì )在晚餐時(shí)把它們分析給愛(ài)因斯坦聽(tīng)。愛(ài)因斯坦對這些分析提不出反駁,但在心里他是不服氣的。”

愛(ài)因斯坦當然是不服氣的,他如此虔誠地信仰因果律,以致決不能相信哥本哈根那種憤世嫉俗的概率解釋。玻爾回憶說(shuō),愛(ài)因斯坦有一次嘲弄般地問(wèn)他,難道他真的相信上帝的力量要依靠擲骰子(ob der liebe Gott würfelt)?

上帝不擲骰子!這已經(jīng)不是愛(ài)因斯坦第一次說(shuō)這話(huà)了。早在1926年寫(xiě)給波恩的信里,他就說(shuō):“量子力學(xué)令人印象深刻,但是一種內在的聲音告訴我它并不是真實(shí)的。這個(gè)理論產(chǎn)生了許多好的結果,可它并沒(méi)有使我們更接近‘老頭子’的奧秘。我毫無(wú)保留地相信,‘老頭子’是不擲骰子的。”

“老頭子”是愛(ài)因斯坦對上帝的昵稱(chēng)。

然而,1927年這場(chǎng)華山論劍,愛(ài)因斯坦終究輸了一招。并非劍術(shù)不精,實(shí)乃內力不足。面對浩浩蕩蕩的歷史潮流,他頑強地逆流而上,結果被沖刷得站立不穩,苦苦支撐。1927年,量子革命的大爆發(fā)已經(jīng)進(jìn)入第三年,到了一個(gè)收官的階段。當年種下的種子如今開(kāi)花結果,革命的思潮已經(jīng)席卷整個(gè)物理界,毫無(wú)保留地指明了未來(lái)的方向。越來(lái)越多的人終究領(lǐng)悟到了哥本哈根解釋的核心奧義,并誠心皈依,都投在量子門(mén)下。愛(ài)因斯坦非但沒(méi)能說(shuō)服玻爾,反而常常被反駁得說(shuō)不出話(huà)來(lái),而且他這個(gè)“反動(dòng)”態(tài)度引得了許多人扼腕嘆息。遙想當年,1905,愛(ài)因斯坦橫空出世,一年之內六次出手,每一役都打得天搖地動(dòng),驚世駭俗,獨自創(chuàng )下了一番轟轟烈烈的事業(yè)。當時(shí)少年意氣,睥睨群雄,揚鞭策馬,笑傲江湖,這一幅傳奇畫(huà)面在多少人心目中留下了永恒的神往!可是,當年那個(gè)最反叛,最革命,最不拘禮法,最蔑視權威的愛(ài)因斯坦,如今竟然站在新生量子論的對立面!

波恩哀嘆說(shuō):“我們失去了我們的領(lǐng)袖。”

埃倫費斯特氣得對愛(ài)因斯坦說(shuō):“愛(ài)因斯坦,我為你感到臉紅!你把自己放到了和那些徒勞地想推翻相對論的人一樣的位置上了。”

愛(ài)因斯坦這一仗輸得狼狽,玻爾看上去沉默駑鈍,可是重劍無(wú)鋒,大巧不工,在他一生中幾乎沒(méi)有輸過(guò)哪一場(chǎng)認真的辯論。哥本哈根派和它對量子論的解釋大獲全勝,海森堡在寫(xiě)給家里的信中說(shuō):“我對結果感到非常滿(mǎn)意,玻爾和我的觀(guān)點(diǎn)被廣泛接受了,至少沒(méi)人提得出嚴格的反駁,即使愛(ài)因斯坦和薛定諤也不行。”多年后他又總結道:“剛開(kāi)始(持有這種觀(guān)點(diǎn)的)主要是玻爾,泡利和我,大概也只有我們三個(gè),不過(guò)它很快就擴散開(kāi)去了。”

但是愛(ài)因斯坦不是那種容易被打敗的人,他逆風(fēng)而立,一頭亂發(fā)掩不住眼中的堅決。他身后還站著(zhù)兩位,一個(gè)是德布羅意,一個(gè)是薛定諤。三人吳帶凌風(fēng),衣袂飄飄,在量子時(shí)代到來(lái)的曙光中,大有長(cháng)鋏寒瑟,易水蕭蕭,誓與經(jīng)典理論共存亡的悲壯氣慨。

時(shí)光荏苒,一彈指又是三年,各方俊杰又重聚布魯塞爾,會(huì )面于第六屆索爾維會(huì )議。三年前那一戰已成往事,這第二次華山論劍,又不知誰(shuí)勝誰(shuí)負?

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飯后閑話(huà):海森堡和德國原子彈計劃(二)

1944年,盟軍在諾曼底登陸,形成兩面夾攻之勢。到1945年4月,納粹德國大勢已去,歐洲戰場(chǎng)戰斗的結束已經(jīng)近在眼前。擺在美國人面前的任務(wù)現在是盡可能地搜羅德國殘存的科學(xué)家和設備儀器,不讓他們落到別的國家手里(蘇聯(lián)不用說(shuō),法國也不行)。和蘇聯(lián)人比賽看誰(shuí)先攻占柏林是無(wú)望的了,他們轉向南方,并很快俘獲了德國鈾計劃的科學(xué)家們,繳獲了大部分資料和設備。不過(guò)那時(shí)候海森堡已經(jīng)提前離開(kāi)逃回厄菲爾德(Urfeld)的家中,這個(gè)地方當時(shí)還在德國人手里,但為了得到海森堡這個(gè)“第一目標”,盟軍派出一支小分隊,于5月3日,也就是希特勒夫婦自殺后的第四天,到海森堡家中抓住了他。這位科學(xué)家倒是表現得頗有風(fēng)度,他禮貌地介紹自己的妻子和孩子們,并問(wèn)那些美國大兵,他們覺(jué)得德國的風(fēng)景如何。到了5月7日,德國便投降了。

10位德國最有名的科學(xué)家被秘密送往英國,關(guān)在劍橋附近的一幢稱(chēng)為“農園堂”(Farm Hall)的房子里。他們并不知道這房子里面裝滿(mǎn)了竊聽(tīng)器,他們在此的談話(huà)全部被錄了音并記錄下來(lái),我們在后面會(huì )談到這些關(guān)鍵性的記錄。8月6日晚上,廣島原子彈爆炸的消息傳來(lái),這讓每一個(gè)人都驚得目瞪口呆。關(guān)于當時(shí)的詳細情景,我們也會(huì )在以后講到。

戰爭結束后,這些科學(xué)家都被釋放了。但現在不管是專(zhuān)家還是公眾,都對德國為什么沒(méi)能造出原子彈大感興趣。以德國科學(xué)家那一貫的驕傲,承認自己技不如人是絕對無(wú)法接受的。還在監禁期間,廣島之后的第三天,海森堡等人便起草了一份備忘錄,聲稱(chēng):1.原子裂變現象是德國人哈恩和斯特拉斯曼在1938年發(fā)現的。2.只有到戰爭爆發(fā)后,德國才成立了相關(guān)的研究小組。但是從當時(shí)的德國來(lái)看并無(wú)可能造出一顆原子彈,因為即使技術(shù)上存在著(zhù)可能性,仍然有資源不足的問(wèn)題,特別是需要更多的重水。

返回德國后,海森堡又起草了一份更詳細的聲明。大致是說(shuō),德國小組早就意識到鈾235可以作為反應堆或者炸彈來(lái)使用,但是從天然鈾中分離出稀少的同位素鈾235卻是一件極為困難的事情。(*這里補充一下原子彈的常識:當一個(gè)中子轟擊容易分裂的鈾235原子核時(shí),會(huì )使它裂成兩半,同時(shí)放出更多的中子去進(jìn)一步轟擊別的原子核。這樣就引起一連串的連鎖反應,在每次分裂時(shí)都放出大量能量,便是通常說(shuō)的“鏈式反應”。但只有鈾235是不穩定而容易裂變的,它的同位素鈾238則不是,所以必須提高鈾235的濃度才能引發(fā)可持續的反應,不然中子就都被鈾238吸收了。但天然鈾中鈾238占了99%以上,所以要把那一點(diǎn)鈾235分離出來(lái),這在當時(shí)的技術(shù)來(lái)說(shuō)是極困難的。)

海森堡說(shuō),分離出足夠的鈾235需要大量的資源和人力物力,這項工作在戰爭期間是難以完成的。德國科學(xué)家也意識到了另一種可能的方法,那就是說(shuō),雖然鈾238本身不能分裂,但它吸收中子后會(huì )衰變成另一種元素——钚。而這種元素和鈾235一樣,是可以形成鏈式反應的。不過(guò)無(wú)論如何,前提是要有一個(gè)原子反應堆,制造原子的反應堆需要中子減速劑。一種很好的減速劑是重水,但對德國來(lái)說(shuō),唯一的重水來(lái)源是在挪威的一個(gè)工廠(chǎng),這個(gè)工廠(chǎng)被盟軍的特遣隊多次破壞,不堪使用。

總而言之,海森堡的潛臺詞是,德國科學(xué)家和盟國科學(xué)家在理論和技術(shù)上的優(yōu)勢是相同的。但是因為德國缺乏相應的資源,因此德國人放棄了這一計劃。他聲稱(chēng)一直到1942年以前,雙方的進(jìn)展還“基本相同”,只不過(guò)由于外部因素的影響,德國認為在戰爭期間沒(méi)有條件(而不是沒(méi)有理論能力)造出原子彈,因此轉為反應堆能源的研究。

海森堡聲稱(chēng),德國的科學(xué)家一開(kāi)始就意識到了原子彈所引發(fā)的道德問(wèn)題,這樣一種如此大殺傷力的武器使他們也意識到對人類(lèi)所負有的責任。但是對國家(不是納粹)的義務(wù)又使得他們不得不投入到工作中去。不過(guò)他們心懷矛盾,消極怠工,并有意無(wú)意地夸大了制造的難度,因此在1942年使得高層相信原子彈并沒(méi)有實(shí)際意義。再加上外部環(huán)境的惡化使得實(shí)際制造成為不可能,這讓德國科學(xué)家松了一口氣,因為他們不必像悲劇中的安提戈涅,親自來(lái)作出這個(gè)道德上兩難的決定了。

這樣一來(lái),德國人的科學(xué)優(yōu)勢得以保持,同時(shí)又捍衛了一種道德地位。兩全其美。

這種說(shuō)法惹火了古德施密特,他戰時(shí)是曼哈頓計劃的重要領(lǐng)導人,本來(lái)也是海森堡的好朋友。他認為說(shuō)德國人和盟國一樣地清楚原子彈的技術(shù)原理和關(guān)鍵參數是胡說(shuō)八道。1942年海森堡報告說(shuō)難以短期制造出原子彈,那是因為德國人算錯了參數,他們真的相信不可能造出它,而不是什么虛與委蛇,更沒(méi)有什么消極。古德施密特地位特殊,手里掌握著(zhù)許多資料,包括德國自己的秘密報告,他很快寫(xiě)出一本書(shū)叫做ALSOS,主要是介紹曼哈頓計劃的過(guò)程,但同時(shí)也匯報德國方面的情況。海森堡怎肯茍同,兩人在Nature雜志和報紙上公開(kāi)辯論,斷斷續續地打了好多年筆仗,最后私下講和,不了了之。

雙方各有支持者?!都~約時(shí)報》的通訊記者Kaempffert為海森堡辯護,說(shuō)了一句引起軒然大波的話(huà):“說(shuō)謊者得不了諾貝爾獎!”言下之意自然是說(shuō)古德施密特說(shuō)謊。這滋味對于后者肯定不好受,大家知道古德施密特是電子自旋的發(fā)現者之一,以如此偉大發(fā)現而終究未獲諾貝爾獎,很多人是鳴不平的。ALSOS的出版人舒曼(Schuman)當真寫(xiě)信給愛(ài)因斯坦,問(wèn)“諾貝爾得獎?wù)哒娴牟徽f(shuō)謊?”愛(ài)因斯坦只好回信說(shuō):“說(shuō)謊是得不了諾貝爾的,但也不能排除有些幸運者會(huì )在壓力下在特定的場(chǎng)合可能說(shuō)謊。”

愛(ài)因斯坦大概想起了勒納德和斯塔克,兩位貨真價(jià)實(shí)的諾貝爾得主,為了狂熱的納粹信仰而瘋狂攻擊他和相對論,這情景猶然在眼前呢。

花開(kāi)花落,黃葉飄零,又是秋風(fēng)季節,第六屆索爾維會(huì )議在布魯塞爾召開(kāi)了。玻爾來(lái)到會(huì )場(chǎng)時(shí)心中惴惴,看愛(ài)因斯坦表情似笑非笑,吃不準他三年間練成了什么新招,不知到了一個(gè)什么境界。不過(guò)玻爾倒也不是太過(guò)擔心,量子論的興起已經(jīng)是板上釘釘的事實(shí),現在整個(gè)體系早就站穩腳跟,枝繁葉茂地生長(cháng)起來(lái)。愛(ài)因斯坦再厲害,憑一人之力也難以撼動(dòng)它的根基。玻爾當年的弟子們,海森堡,泡利等,如今也都是獨當一面的大宗師了,哥本哈根派名震整個(gè)物理界,玻爾自信吃不了大虧。

愛(ài)因斯坦則在盤(pán)算另一件事:量子論方興未艾,當其之強,要打敗它的確太難了??墒请y道因果律和經(jīng)典理論就這么完了不成?不可能,量子論一定是錯的!嗯,想來(lái)想去,要破量子論,只有釜底抽薪,擊潰它的基礎才行。愛(ài)因斯坦憑著(zhù)和玻爾交手的經(jīng)驗知道,在細節問(wèn)題上是爭不出個(gè)什么所以然的,量子論就像神話(huà)中那個(gè)九頭怪蛇海德拉(Hydra),你砍掉它一個(gè)頭馬上會(huì )再生一個(gè)出來(lái)。必須得瞄準最關(guān)鍵的那一個(gè)頭才行,這個(gè)頭就是其精髓所在——不確定性原理!

愛(ài)因斯坦站起來(lái)發(fā)話(huà)了:

想象一個(gè)箱子,上面有一個(gè)小孔,并有一道可以控制其開(kāi)閉的快門(mén),箱子里面有若干個(gè)光子。好,假設快門(mén)可以控制得足夠好,它每次打開(kāi)的時(shí)間是如此之短,以致于每次只允許一個(gè)光子從箱子里飛到外面。因為時(shí)間極短,△t是足夠小的。那么現在箱子里少了一個(gè)光子,它輕了那么一點(diǎn)點(diǎn),這可以用一個(gè)理想的稱(chēng)測量出來(lái)。假如輕了△m吧,那么就是說(shuō)飛出去的光子重m,根據相對論的質(zhì)能方程E=mc^2,可以精確地算出減少的能量△E。

那么,△E和△t都很確定,海森堡的公式△E×△t > h/2π也就不成立。所以整個(gè)量子論是錯誤的!

這可以說(shuō)是愛(ài)因斯坦凝聚了畢生功夫的一擊,其中還包含了他的成名絕技相對論。這一招如白虹貫日,直中要害,沉穩老辣,干凈漂亮。玻爾對此毫無(wú)思想準備,他大吃一驚,一時(shí)想不出任何反擊的辦法。據目擊者說(shuō),他變得臉如死灰,呆若木雞(不是比喻?。?,張口結舌地說(shuō)不出話(huà)來(lái)。一整個(gè)晚上他都悶悶不樂(lè ),搜腸刮肚,苦思冥想。

羅森菲爾德后來(lái)描述說(shuō):

“(玻爾)極力游說(shuō)每一個(gè)人,試圖使他們相信愛(ài)因斯坦說(shuō)的不可能是真的,不然那就是物理學(xué)的末日了。但是他想不出任何反駁來(lái)。我永遠不會(huì )忘記兩個(gè)對手離開(kāi)會(huì )場(chǎng)時(shí)的情景:愛(ài)因斯坦的身影高大莊嚴,帶著(zhù)一絲嘲諷的笑容,靜悄悄地走了出去。玻爾跟在后面一路小跑,他激動(dòng)不已,詞不達意地辯解說(shuō)要是愛(ài)因斯坦的裝置真的管用,物理學(xué)就完蛋了。”

這一招當真如此淳厚完美,無(wú)懈可擊?玻爾在這關(guān)鍵時(shí)刻力挽滄海,方顯英雄本色。他經(jīng)過(guò)一夜苦思,終于想出了破解此招的方法,一個(gè)更加妙到巔毫的巧招。

羅森菲爾德接著(zhù)說(shuō):

“第二天早上,玻爾的勝利便到來(lái)了。物理學(xué)也得救了。”

玻爾指出:好,一個(gè)光子跑了,箱子輕了△m。我們怎么測量這個(gè)△m呢?用一個(gè)彈簧稱(chēng),設置一個(gè)零點(diǎn),然后看箱子位移了多少。假設位移為△q吧,這樣箱子就在引力場(chǎng)中移動(dòng)了△q的距離,但根據廣義相對論的紅移效應,這樣的話(huà)時(shí)間的快慢也要隨之改變相應的△T??梢愿鶕接嬎愠觯骸鱐>h/△mc^2。再代以質(zhì)能公式△E=△mc^2,則得到最終的結果,這結果是如此眼熟:△T△E > h,正是海森堡測不準關(guān)系!

我們可以不理會(huì )數學(xué)推導,關(guān)鍵是愛(ài)因斯坦忽略了廣義相對論的紅移效應!引力場(chǎng)可以使原子頻率變低,也就是紅移,等效于時(shí)間變慢。當我們測量一個(gè)很準確的△m時(shí),我們在很大程度上改變了箱子里的時(shí)鐘,造成了一個(gè)很大的不確定的△T。也就是說(shuō),在愛(ài)因斯坦的裝置里,假如我們準確地測量△m,或者△E時(shí),我們就根本沒(méi)法控制光子逃出的時(shí)間T!

廣義相對論本是愛(ài)因斯坦的獨門(mén)絕技,玻爾這一招“以彼之道,還施彼身”不但封擋住了愛(ài)因斯坦那雷霆萬(wàn)鈞的一擊,更把這諸般招數都回加到了他自己身上。雖說(shuō)是殫精竭慮最后想出此法,但招數精奇,才氣橫溢,教人擊節嘆服,大開(kāi)眼界。覺(jué)得見(jiàn)證兩大縱世奇才出全力相拚,實(shí)在不虛此行。

現在輪到愛(ài)因斯坦自己說(shuō)不出話(huà)來(lái)了。難道量子論當真天命所歸,嚴格的因果性當真已經(jīng)遲遲老去,不再屬于這個(gè)叛逆的新時(shí)代?玻爾是最堅決的革命派,他的思想閎廓深遠,窮幽極渺,卻又如大江奔流,浩浩蕩蕩,翻騰不息。物理學(xué)的未來(lái)只有靠量子,這個(gè)古怪卻又強大的精靈去開(kāi)拓。新世界不再有因果性,不再有實(shí)在性,可能讓人覺(jué)得不太安全,但它卻是那樣胸懷博大,氣派磅礴,到處都有珍貴的寶藏和激動(dòng)人心的秘密等待著(zhù)人們去發(fā)掘。狄拉克后來(lái)有一次說(shuō),自海森堡取得突破以來(lái),理論物理進(jìn)入了前所未有的黃金年代,任何一個(gè)二流的學(xué)生都可能在其中作出一流的發(fā)現。是的,人們應當毫不畏懼地走進(jìn)這樣一個(gè)生機勃勃的,充滿(mǎn)了艱險、挑戰和無(wú)上光榮的新時(shí)代中來(lái),把過(guò)時(shí)的因果性做成一個(gè)紀念物,裝飾在泛黃的老照片上去回味舊日的似水年華。

革命!前進(jìn)!玻爾在大會(huì )上又開(kāi)始顯得精神抖擻,豪氣萬(wàn)丈。愛(ài)因斯坦的這個(gè)光箱實(shí)驗非但沒(méi)能擊倒量子論,反而成了它最好的證明,給它的光輝又添上了濃重的一筆?,F在沒(méi)什么好懷疑的了,因果性是不存在的,哥本哈根解釋如野火一般在人們的思想中蔓延開(kāi)來(lái)。玻爾是這場(chǎng)革命的旗手,他慷慨陳詞,就像當年在議會(huì )前的羅伯斯庇爾。要是可能的話(huà),他大概真想來(lái)上這么一句:

因果性必須死,因為物理學(xué)需要生!

停止爭論吧,上帝真的擲骰子!隨機性是世界的基石,當電子出現在這里時(shí),它是一個(gè)隨機的過(guò)程,并不需要有誰(shuí)給它加上難以忍受的條條框框。全世界的粒子和波現在都得到了解放,從牛頓和麥克斯韋寫(xiě)好的劇本中掙扎出來(lái),大口地呼吸自由空氣。它們和觀(guān)測者玩捉迷藏,在他們背后融化成概率波彌散開(kāi)去,神秘地互相滲透和干涉。當觀(guān)測者回過(guò)頭去尋找它們,它們又快樂(lè )地現出原型,呈現出一個(gè)面貌等候在那里。這種游戲不致于過(guò)火,因為還有波動(dòng)方程和不確定原理在起著(zhù)規則的作用。而統計規律則把微觀(guān)上的無(wú)法無(wú)天抹平成為宏觀(guān)上的井井有條。

愛(ài)因斯坦失望地看著(zhù)這個(gè)場(chǎng)面,發(fā)展到如此地步實(shí)在讓他始料不及。沒(méi)有因果性,一片混亂……恐怕約翰?米爾頓描繪的那個(gè)“群魔殿”(Pandemonium)就是這個(gè)樣子吧?愛(ài)因斯坦對玻爾已經(jīng)兩戰兩敗,他現在知道量子論的根基比想象的要牢固得多??雌饋?lái),量子論不太可能是錯誤的,或者自相矛盾的。

但愛(ài)因斯坦也決不會(huì )相信它代表了真相。好吧,量子論內部是沒(méi)有矛盾的,但它并不是一幅“完整”的圖像。我們看到的量子論,可能只是管中窺豹,雖然看到了真實(shí)的一部分,但仍然有更多的“真實(shí)”未能發(fā)現。一定有一些其他的因素,它們雖然不為我們所見(jiàn),但無(wú)疑對電子的行為有著(zhù)影響,從而嚴格地決定了它們的行為。好比我們在賭場(chǎng)扔骰子賭錢(qián),雖然我們睜大眼睛看明白四周一切,確定沒(méi)人作弊,但的確可能還有一個(gè)暗中的武林高手,憑借一些獨門(mén)手法比如說(shuō)吹氣來(lái)影響骰子的結果。雖然我們水平不行,發(fā)現不了這個(gè)武林高手的存在,覺(jué)得骰子是完全隨機的,但事實(shí)上不是!它是完全人為的,如果把這個(gè)隱藏的高手也考慮進(jìn)去,它是有嚴格因果關(guān)系的!盡管單單從我們看到的來(lái)講,也沒(méi)有什么互相矛盾,但一幅“完整”的圖像應該包含那個(gè)隱藏著(zhù)的人,這個(gè)人是一個(gè)“隱變量”!

不管怎么說(shuō),因果關(guān)系不能拋棄!愛(ài)因斯坦的信念到此時(shí)幾乎變成一種信仰了,他已決定終生為經(jīng)典理論而戰,這不知算是科學(xué)的悲劇還是收獲。一方面,那個(gè)大無(wú)畏的領(lǐng)路人,那個(gè)激情無(wú)限的開(kāi)拓者永遠地從歷史上消失了。亞伯拉罕?帕斯(Abraham Pais)在《愛(ài)因斯坦曾住在這里》一書(shū)中說(shuō),就算1925年后,愛(ài)因斯坦改行釣魚(yú)以度過(guò)余生,這對科學(xué)來(lái)說(shuō)也沒(méi)什么損失。但另一方面,愛(ài)因斯坦對量子論的批評和詰問(wèn)也確實(shí)使它時(shí)時(shí)三省吾身,冷靜地審視和思考自己存在的意義,并不斷地在斗爭中完善自己。大概可算一種反面的激勵吧?

反正他不久又要提出一個(gè)新的實(shí)驗,作為對量子論的進(jìn)一步考驗??蓱z的玻爾得第三次接招了。

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飯后閑話(huà):海森堡和德國原子彈計劃(三)

玩味一下海森堡的聲明是很有意思的:討厭納粹和希特勒,但忠實(shí)地執行對祖國的義務(wù),作為國家機器的一部分來(lái)履行愛(ài)國的職責。這聽(tīng)起來(lái)的確像一幅典型的德國式場(chǎng)景。服從,這是德國文化的一部分,在英語(yǔ)世界的人們看來(lái),對付一個(gè)邪惡的政權,符合道德的方式是不與之合作甚至摧毀它,但對海森堡等人來(lái)說(shuō),符合道德的方式是服從它——正如他以后所說(shuō)的那樣,雖然納粹占領(lǐng)全歐洲不是什么好事,但對一個(gè)德國人來(lái)說(shuō),也許要好過(guò)被別人占領(lǐng),一戰后那種慘痛的景象已經(jīng)不堪回首。

原子彈,對于海森堡來(lái)說(shuō),是“本質(zhì)上”邪惡的,不管它是為希特勒服務(wù),還是為別的什么人服務(wù)。戰后在西方科學(xué)家中有一種對海森堡的普遍憎惡情緒。當海森堡后來(lái)訪(fǎng)問(wèn)洛斯阿拉莫斯時(shí),那里的科學(xué)家拒絕同其握手,因為他是“為希特勒制造原子彈的人”。這在海森堡看來(lái)是天大的委屈,他不敢相信,那些“實(shí)際制造了原子彈的人”竟然拒絕與他握手!也許在他心中,盟軍的科學(xué)家比自己更加應該在道德上加以譴責。但顯然在后者看來(lái),只有為希特勒制造原子彈才是邪惡,如果以消滅希特勒和法西斯為目的而研究這種武器,那是非常正義和道德的。

這種道德觀(guān)的差異普遍存在于雙方陣營(yíng)之中。魏扎克曾經(jīng)激動(dòng)地說(shuō):“歷史將見(jiàn)證,是美國人和英國人造出了一顆炸彈,而同時(shí)德國人——在希特勒政權下的德國人——只發(fā)展了鈾引擎動(dòng)力的和平研究。”這在一個(gè)美國人看來(lái),恐怕要噴飯。

何況在許多人看來(lái),這種聲明純粹是馬后炮。要是德國人真的造得出來(lái)原子彈,恐怕倫敦已經(jīng)從地球上消失了,也不會(huì )羅里羅嗦地講這一大通風(fēng)涼話(huà)。不錯,海森堡肯定在1940年就意識到鈾炸彈是可能的,但這不表明他確切地知道到底怎么去制造??!海森堡在1942年意識到以德國的環(huán)境來(lái)說(shuō)分離鈾235十分困難,但這不表明他確切地知道到底要分離“多少”鈾235??!事實(shí)上,許多證據表明,海森堡非常錯誤地估計了工程量,為了維持鏈式反應,必須至少要有一個(gè)最小量的鈾235才行,這個(gè)質(zhì)量叫做“臨界質(zhì)量”(critical mass),海森堡——不管他是真的算錯還是假裝不知——在1942年認為至少需要幾噸的鈾235才能造出原子彈!事實(shí)上,只要幾十千克就可以了。

誠然,即使只分離這么一點(diǎn)點(diǎn)鈾235也是非常困難的。美國動(dòng)用了15000人,投資超過(guò)20億美元才完成整個(gè)曼哈頓計劃。而德國整個(gè)只有100多人在搞這事,總資金不過(guò)百萬(wàn)馬克左右,這簡(jiǎn)直是笑話(huà)。但這都不是關(guān)鍵,關(guān)鍵是,海森堡到底知不知道準確的數字?如果他的確有一個(gè)準確數字的概念,那么雖然這德國來(lái)說(shuō)仍然是困難的,但至少不是那樣的遙不可及,難以克服。英國也同樣困難,但他們知道準確的臨界質(zhì)量數字,于是仍然上馬了原子彈計劃。

海森堡爭辯說(shuō),他對此非常清楚,他引用了許多證據說(shuō)明在與斯佩爾會(huì )面前他的確知道準確的數字??上淖C據全都模糊不清,無(wú)法確定。德國的報告上的確說(shuō)一個(gè)炸彈可能需要10-100千克,海森堡也描繪過(guò)一個(gè)“菠蘿”大小的炸彈,這被許多人看作證明。然而這些全都是指钚炸彈,而不是鈾235炸彈。這些數字不是證明出來(lái)的,而是猜測的,德國根本沒(méi)有反應堆來(lái)大量生產(chǎn)钚。德國科學(xué)家們在許多時(shí)候都流露出這樣的印象,鈾炸彈至少需要幾噸的鈾235。

不過(guò)當然你也可以從反方面去理解,海森堡故意隱瞞了數字,只有天知地知他一個(gè)人知。他一手造成夸大了的假相。

至于反應堆,其實(shí)石墨也可以做很好的減速劑,美國人就是用的石墨??墒钱敃r(shí)海森堡委派波特去做實(shí)驗,他的結果錯了好幾倍,顯示石墨不適合用在反應堆中,于是德國人只好在重水這一棵樹(shù)上吊死。這又是一個(gè)懸案,海森堡把責任推到波特身上,說(shuō)他用的石墨不純,因此導致了整個(gè)計劃失敗。波特是非常有名的實(shí)驗物理學(xué)家,后來(lái)也得了諾貝爾獎,這個(gè)黑鍋如何肯背。他給海森堡寫(xiě)信,暗示說(shuō)石墨是純的,而且和理論相符合!如果說(shuō)實(shí)驗錯了,那還不如說(shuō)理論錯了,理論可是海森堡負責的。在最初的聲明中海森堡被迫撤回了對波特的指責,但在以后的歲月中,他,魏扎克,沃茲等人仍然不斷地把波特拉進(jìn)來(lái)頂罪。目前看來(lái),德國人當年無(wú)論是理論還是實(shí)驗上都錯了。

對這一公案的爭論逐漸激烈起來(lái),最有影響的幾本著(zhù)作有:Robert Jungk的《比一千個(gè)太陽(yáng)更明亮》(Brighter Than a Thousand Sunds,1956),此書(shū)贊揚了德國科學(xué)家那高尚的道義,在戰時(shí)不忘人類(lèi)公德,雖然洞察原子彈的奧秘,卻不打開(kāi)這潘多拉盒子。1967年David Irving出版了《德國原子彈計劃》(The German Atomic Bomb),此時(shí)德國當年的秘密武器報告已經(jīng)得見(jiàn)天日,給作品帶來(lái)了豐富的資料。Irving雖然不認為德國科學(xué)家有吹噓的那樣高尚的品德,但他仍然相信當年德國人是清楚原子彈技術(shù)的。然后是Margaret Gowing那本關(guān)于英國核計劃的歷史,里面考證說(shuō)德國人當年在一些基本問(wèn)題上錯得離譜,這讓海森堡本人非常惱火。他說(shuō):“(這本書(shū))大錯特錯,每一句都是錯的,完全是胡說(shuō)八道。”他隨后出版了著(zhù)名的自傳《物理和物理之外》(Physics and Beyond),自然再次地強調了德國人的道德和科學(xué)水平。凡是當年和此事有點(diǎn)關(guān)系的人都紛紛發(fā)表評論意見(jiàn),眾說(shuō)紛紜,有如聚訟,誰(shuí)也沒(méi)法說(shuō)服對方。

1989年,楊振寧在上海交大演講的時(shí)候還說(shuō):“……很好的海森堡傳記至今還沒(méi)寫(xiě)出,而已有的傳記對這件事是語(yǔ)焉不詳的……這是一段非常復雜的歷史,我相信將來(lái)有人會(huì )寫(xiě)出重要的有關(guān)海森堡的傳記。”

幸運的是,從那時(shí)起到今天,事情總算是如其所愿,有了根本性的變化。

愛(ài)因斯坦沒(méi)有出席1933年第七屆索爾維會(huì )議,他被納粹德國逼得離開(kāi)家鄉,流落異國,憂(yōu)郁地思索著(zhù)歐洲那悲慘的未來(lái)。另一方面,這屆索爾維會(huì )議的議題也早就不是量子論本身,而換成了另一個(gè)激動(dòng)人心的話(huà)題:爆炸般發(fā)展的原子物理。不過(guò)這個(gè)領(lǐng)域里的成就當然也是在量子論的基礎上取得的,而量子力學(xué)的基本形式已經(jīng)確定下來(lái),成為物理學(xué)的基礎。似乎是塵埃落定,沒(méi)什么人再懷疑它的力量和正確性了。

在人們的一片樂(lè )觀(guān)情緒中,愛(ài)因斯坦和薛定諤等寥寥幾人愈加顯得孤獨起來(lái)。薛定諤和德布羅意參加了1933年索爾維會(huì )議,卻都沒(méi)有發(fā)言,也許是他們對這一領(lǐng)域不太熟悉的緣故吧。新新人類(lèi)們在激動(dòng)地探討物質(zhì)的產(chǎn)生和湮滅、正電子、重水、中子……那樣多的新發(fā)現讓人眼花繚亂,根本忙不過(guò)來(lái)。而愛(ài)因斯坦他們現在還能做什么呢?難道他們的思想真的已經(jīng)如此過(guò)時(shí),以致跟不上新時(shí)代那飛一般的步伐了嗎?

1933年9月25日,埃侖費斯特在荷蘭萊登槍殺了他那患有智力障礙的兒子,然后自殺了。他在留給愛(ài)因斯坦,玻爾等好友的信中說(shuō):“這幾年我越來(lái)越難以理解物理學(xué)的飛速發(fā)展,我努力嘗試,卻更為絕望和撕心裂肺,我終于決定放棄一切。我的生活令人極度厭倦……我僅僅是為了孩子們的經(jīng)濟來(lái)源而活著(zhù),這使我感到罪惡。我試過(guò)別的方法但是收效甚微,因此我越來(lái)越多地去考慮自殺的種種細節,除此之外我沒(méi)有第二條路走了……原諒我吧。”

在愛(ài)因斯坦看來(lái),埃侖費斯特的悲劇無(wú)疑是一個(gè)時(shí)代的悲劇。兩代物理學(xué)家的思想猛烈沖突和撞擊,在一個(gè)天翻地覆的飄搖亂世,帶給整個(gè)物理學(xué)以強烈的陣痛。埃侖費斯特雖然從理智上支持玻爾,但當一個(gè)文化衰落之時(shí),曾經(jīng)為此文化所感之人必感到強烈的痛苦。昔日黃金時(shí)代的黯淡老去,代以雨后春筍般興起的新思潮,從量子到量子場(chǎng)論,原子中各種新粒子層出不窮,稀奇古怪的概念統治整個(gè)世界。愛(ài)因斯坦的心中何曾沒(méi)有埃侖費斯特那樣難以名狀的巨大憂(yōu)傷?愛(ài)因斯坦遠遠地,孤獨地站在鴻溝的另一邊,看著(zhù)年輕人們義無(wú)反顧地高唱著(zhù)向遠方進(jìn)軍,每一個(gè)人都對他說(shuō)他站錯了地方。這種感覺(jué)是那樣奇怪,似乎世界都顯得朦朧而不真實(shí)。難怪曾經(jīng)有人嘆息說(shuō),寧愿早死幾年,也不愿看到現代物理這樣一幅令人難以接受的畫(huà)面。不過(guò),愛(ài)因斯坦卻仍然沒(méi)有倒下,雖然他身在異鄉,他的第二個(gè)妻子又重病纏身,不久將與他生離死別,可這一切都不能使愛(ài)因斯坦放棄內心那個(gè)堅強的信仰,那個(gè)對于堅固的因果關(guān)系,對于一個(gè)宇宙和諧秩序的癡癡信仰。愛(ài)因斯坦仍然選擇戰斗,他的身影在斜陽(yáng)下拉得那樣長(cháng),似乎是勇敢的老戰士為一個(gè)消逝的王國做最后的悲壯抗爭。

這一次他爭取到了兩個(gè)同盟軍,他們分別是他的兩個(gè)同事波多爾斯基(Boris Podolsky)和羅森(Nathan Rosen)。1935年3月,三人共同在《物理評論》(Physics Review)雜志上發(fā)表了一篇論文,名字叫《量子力學(xué)對物理實(shí)在的描述可能是完備的嗎?》,再一次對量子論的基礎發(fā)起攻擊。當然他們改變策略,不再說(shuō)量子論是自相矛盾,或者錯誤的,而改說(shuō)它是“不完備”的。具體來(lái)說(shuō),三人爭辯量子論的那種對于觀(guān)察和波函數的解釋是不對的。

我們用一個(gè)稍稍簡(jiǎn)化了的實(shí)驗來(lái)描述他們的主要論據。我們已經(jīng)知道,量子論認為在我們沒(méi)有觀(guān)察之前,一個(gè)粒子的狀態(tài)是不確定的,它的波函數彌散開(kāi)來(lái),代表它的概率。但當我們探測以后,波函數坍縮,粒子隨機地取一個(gè)確定值出現在我們面前。

現在讓我們想象一個(gè)大粒子,它是不穩定的,很快就會(huì )衰變成兩個(gè)小粒子,向相反的兩個(gè)方向飛開(kāi)去。我們假設這種粒子有兩種可能的自旋,分別叫“左”和“右”,那么如果粒子A的自旋為“左”,粒子B的自旋便一定是“右”,以保持總體守恒,反之亦然。

好,現在大粒子分裂了,兩個(gè)小粒子相對飛了出去。但是要記住,在我們沒(méi)有觀(guān)察其中任何一個(gè)之前,它們的狀態(tài)都是不確定的,只有一個(gè)波函數可以描繪它們。只要我們不去探測,每個(gè)粒子的自旋便都處在一種左/右可能性疊加的混合狀態(tài),為了方便我們假定兩種概率對半分,各50%。

現在我們觀(guān)察粒子A,于是它的波函數一瞬間坍縮了,隨機地選擇了一種狀態(tài),比如說(shuō)是“左”旋。但是因為我們知道兩個(gè)粒子總體要守恒,那么現在粒子B肯定就是“右”旋了。問(wèn)題是,在這之前,粒子A和粒子B之間可能已經(jīng)相隔非常遙遠的距離,比如說(shuō)幾萬(wàn)光年好了。它們怎么能夠做到及時(shí)地互相通信,使得在粒子A坍縮成左的一剎那,粒子B毅然坍縮成右呢?

量子論的概率解釋告訴我們,粒子A選擇“左”,那是一個(gè)完全隨機的決定,兩個(gè)粒子并沒(méi)有事先商量好,說(shuō)粒子A一定會(huì )選擇左。事實(shí)上,這種選擇是它被觀(guān)測的那一剎那才做出的,并沒(méi)有先兆。關(guān)鍵在于,當A隨機地作出一個(gè)選擇時(shí),遠在天邊的B便一定要根據它的決定而作出相應的坍縮,變成與A不同的狀態(tài)以保持總體守恒。那么,B是如何得知這一遙遠的信息的呢?難道有超過(guò)光速的信號來(lái)回于它們之間?

假設有兩個(gè)觀(guān)察者在宇宙的兩端守株待兔,在某個(gè)時(shí)刻t,他們同時(shí)進(jìn)行了觀(guān)測。一個(gè)觀(guān)測A,另一個(gè)同時(shí)觀(guān)測B,那么,這兩個(gè)粒子會(huì )不會(huì )因為距離過(guò)于遙遠,一時(shí)無(wú)法對上口徑而在倉促間做出手忙腳亂的選擇,比如兩個(gè)同時(shí)變成了“左”,或者“右”?顯然是不太可能的,不然就違反了守恒定律,那么是什么讓它們之間保持著(zhù)心有靈犀的默契,當你是“左”的時(shí)候,我一定是“右”?

愛(ài)因斯坦等人認為,既然不可能有超過(guò)光速的信號傳播,那么說(shuō)粒子A和B在觀(guān)測前是“不確定的幽靈”顯然是難以自圓其說(shuō)的。唯一的可能是兩個(gè)粒子從分離的一剎那開(kāi)始,其狀態(tài)已經(jīng)確定了,后來(lái)人們的觀(guān)測只不過(guò)是得到了這種狀態(tài)的信息而已,就像經(jīng)典世界中所描繪的那樣。粒子在觀(guān)測時(shí)才變成真實(shí)的說(shuō)法顯然違背了相對論的原理,它其中涉及到瞬間傳播的信號。這個(gè)詰難以三位發(fā)起者的首字母命名,稱(chēng)為“EPR佯謬”。

玻爾在得到這個(gè)消息后大吃一驚,他馬上放下手頭的其他工作,來(lái)全神貫注地對付愛(ài)因斯坦的這次挑戰。這套潛心演練的新陣法看起來(lái)氣勢洶洶,宏大堂皇,頗能奪人心魄,但玻爾也算是愛(ài)因斯坦的老對手了。他睡了一覺(jué)后,馬上發(fā)現了其中的破綻所在,原來(lái)這看上去讓人眼花繚亂的一次攻擊卻是個(gè)完完全全的虛招,并無(wú)實(shí)質(zhì)力量。玻爾不禁得意地唱起一支小調,調侃了波多爾斯基一下。

原來(lái)愛(ài)因斯坦和玻爾根本沒(méi)有個(gè)共同的基礎。在愛(ài)因斯坦的潛意識里,一直有個(gè)經(jīng)典的“實(shí)在”影像。他不言而喻地假定,EPR實(shí)驗中的兩個(gè)粒子在觀(guān)察之前,分別都有個(gè)“客觀(guān)”的自旋狀態(tài)存在,就算是概率混合吧,但粒子客觀(guān)地存在于那里。但玻爾的意思是,在觀(guān)測之前,沒(méi)有一個(gè)什么粒子的“自旋”!那時(shí)候自旋的粒子是不存在的,不是客觀(guān)實(shí)在的一部分,這不能用經(jīng)典語(yǔ)言來(lái)表達,只有波函數可以描述。因此在觀(guān)察之前,兩個(gè)粒子——無(wú)論相隔多遠都好——仍然是一個(gè)互相關(guān)聯(lián)的整體!它們仍然必須被看作母粒子分裂時(shí)的一個(gè)全部,直到觀(guān)察以前,這兩個(gè)獨立的粒子都是不存在的,更談不上客觀(guān)的自旋狀態(tài)!

這是愛(ài)因斯坦和玻爾思想基礎的尖銳沖突,玻爾認為,當沒(méi)有觀(guān)測的時(shí)候,不存在一個(gè)客觀(guān)獨立的世界。所謂“實(shí)在”只有和觀(guān)測手段連起來(lái)講才有意義。在觀(guān)測之前,并沒(méi)有“兩個(gè)粒子”,而只有“一個(gè)粒子”,直到我們觀(guān)測了A或者B,兩個(gè)粒子才變成真實(shí),變成客觀(guān)獨立的存在。但在那以前,它們仍然是互相聯(lián)系的一個(gè)虛無(wú)整體。并不存在什么超光速的信號,兩個(gè)遙遠的粒子只有到觀(guān)測的時(shí)候才同時(shí)出現在宇宙中,它們本是協(xié)調的一體,之間無(wú)需傳遞什么信號。其實(shí)是這個(gè)系統沒(méi)有實(shí)在性,而不是沒(méi)有定域性。

EPR佯謬其實(shí)根本不是什么佯謬,它最多表明了,在“經(jīng)典實(shí)在觀(guān)”看來(lái),量子論是不完備的,這簡(jiǎn)直是廢話(huà)。但是在玻爾那種“量子實(shí)在觀(guān)”看來(lái),它是非常完備和邏輯自洽的。

既生愛(ài),何生玻。兩人的世紀爭論進(jìn)入了尾聲。在哲學(xué)基礎上的不同使得兩人間的意見(jiàn)分歧直到最后也沒(méi)能調和。一直到死,玻爾也未能使愛(ài)因斯坦信服,認為量子論的解釋是完備的。而玻爾本人也一直在同愛(ài)因斯坦的思想作斗爭,在他1962年去世后的第二天,人們在他的黑板上仍然發(fā)現畫(huà)有當年愛(ài)因斯坦光箱實(shí)驗的草圖。兩位科學(xué)巨人都為各自的信念而奮斗了畢生,但別的科學(xué)家已經(jīng)甚少關(guān)心這種爭執。在量子論的引導下,科學(xué)顯得如此朝氣蓬勃,它的各個(gè)分支以火箭般的速度發(fā)展,給人類(lèi)社會(huì )帶來(lái)了偉大的技術(shù)革命。從半導體到核能,從激光到電子顯微鏡,從集成電路到分子生物學(xué),量子論把它的光輝播撒到人類(lèi)社會(huì )的每一個(gè)角落,成為有史以來(lái)在實(shí)用中最成功的物理理論。許多人覺(jué)得,爭論量子論到底對不對簡(jiǎn)直太可笑了,只要轉過(guò)頭,看看身邊發(fā)生的一切,看看社會(huì )的日新月異,目光所及,無(wú)不是量子論的最好證明。

如果說(shuō)EPR最大的價(jià)值所在,那就是它和別的奇想空談不同。只要稍微改裝一下,EPR是可以為實(shí)踐所檢驗的!我們的史話(huà)在以后會(huì )談到,人們是如何在實(shí)驗室里用實(shí)踐裁決了愛(ài)因斯坦和玻爾的爭論,經(jīng)典實(shí)在的概念無(wú)可奈何花落去,只留下一個(gè)蒼涼的背影和深沉的嘆息。

但量子論仍然困擾著(zhù)我們。它的內在意義是如此撲朔迷離,使得對它的詮釋依舊眾說(shuō)紛紜。量子論取得的成就是無(wú)可懷疑的,但人們一直無(wú)法確認它的真實(shí)面目所在,這爭論一直持續到今天。它將把一些讓物理學(xué)家們毛骨悚然的概念帶入物理中,令人一想來(lái)就不禁倒吸一口涼氣。而反對派那里還有一個(gè)薛定諤,他要放出一只可怕的怪獸,撕咬人們的理智和神經(jīng),這就是叫許多人聞之色變的“薛定諤的貓”。

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飯后閑話(huà):海森堡和德國原子彈計劃(四)

海森堡本人于1976年去世了。在他死后兩年,英國人Jones出版了《高度機密戰爭:英國科學(xué)情報部門(mén)》(Most Secret War:British Scientific Intelligentce)一書(shū),詳細地分析了海森堡當年在計算時(shí)犯下的令人咋舌的錯誤。但他的分析卻沒(méi)有被Mark Walker所采信,在資料詳細的《德國國家社會(huì )主義及核力量的尋求》(German National Socialism and the Quest for Nubclear Power,1989年出版)中,Walker還是認為海森堡在1942年頭腦清楚,知道正確的事實(shí)。

到了1992年,Hofstra大學(xué)的戴維?卡西迪(David Cassidy)出版了著(zhù)名的海森堡傳記《不確定性:海森堡傳》,這至今仍被認為是海森堡的標準傳記。他分析了整件事情,并最后站在了古德施密特等人的立場(chǎng)上,認為海森堡并沒(méi)有什么主觀(guān)的愿望去“摧毀”一個(gè)原子彈計劃,他當年確實(shí)算錯了。

但是很快到了1993年,戲劇性的情況又發(fā)生了。Thomas Powers寫(xiě)出了巨著(zhù)《海森堡的戰爭》(Heisenberg’s War)。Powers本是記者出身,非常了解如何使得作品具有可讀性。因此雖然這本厚書(shū)足有607頁(yè),但文字奇巧,讀來(lái)引人入勝,很快成了暢銷(xiāo)作品。Powers言之鑿鑿地說(shuō),海森堡當年不僅僅是“消極”地對待原子彈計劃,他更是“積極”地破壞了這個(gè)計劃的成功實(shí)施。他繪聲繪色地向人們描繪了一幕幕陰謀、間諜、計劃,后來(lái)有人挪揄說(shuō),這本書(shū)的前半部分簡(jiǎn)直就是一部間諜小說(shuō)。不管怎么樣說(shuō),這本書(shū)在公眾中的反響是很大的,海森堡作為一個(gè)高尚的,富有機智和正義感的科學(xué)家形象也深入人心,更直接影響了后來(lái)的戲劇《哥本哈根》。從以上的描述可以見(jiàn)到,對這件事的看法在短短幾年中產(chǎn)生了多少極端不同的看法,這在科學(xué)史上幾乎獨一無(wú)二。

1992年披露了一件非常重要的史料,那就是海森堡他們當初被囚在Farm Hall的竊聽(tīng)錄音抄本。這個(gè)東東長(cháng)期來(lái)是保密的,只能在幾個(gè)消息靈通者的著(zhù)作中見(jiàn)到一星半點(diǎn)。1992年這份被稱(chēng)為Farm Hall Transcript的文件解密,由加州大學(xué)伯克利出版,引起轟動(dòng)。Powers就借助了這份新資料,寫(xiě)出了他的著(zhù)作。

《海森堡的戰爭》一書(shū)被英國記者兼劇作家Michael Frayn讀到,后者為其所深深吸引,不由產(chǎn)生了一個(gè)巧妙的戲劇構思。在“海森堡之謎”的核心,有一幕非常神秘,長(cháng)期為人們爭議不休的場(chǎng)景,那就是1941年他對玻爾的訪(fǎng)問(wèn)。當時(shí)丹麥已被德國占領(lǐng),納粹在全歐洲的攻勢勢如破竹。海森堡那時(shí)意識到了原子彈制造的可能性,他和魏扎克兩人急急地假借一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì )議的名頭,跑到哥本哈根去會(huì )見(jiàn)當年的老師玻爾。這次會(huì )見(jiàn)的目的和談話(huà)內容一直不為人所知,玻爾本人對此隱諱莫深,絕口不談。唯一能夠確定的就是當時(shí)兩人鬧得很不愉快,玻爾和海森堡之間原本情若父子,但這次見(jiàn)面后多年的情義一朝了斷,只剩下表面上的客氣。發(fā)生了什么事?

有人說(shuō),海森堡去警告玻爾讓他注意德國的計劃。有人說(shuō)海森堡去試圖把玻爾也拉進(jìn)他們的計劃中來(lái)。有人說(shuō)海森堡想探聽(tīng)盟軍在這方面的進(jìn)展如何。有人說(shuō)海森堡感到罪孽,要向玻爾這位“教皇”請求寬恕……

Michael Frayn著(zhù)迷于Powers的說(shuō)法,海森堡去到哥本哈根向玻爾求證盟軍在這方面的進(jìn)展,并試圖達成協(xié)議,雙方一起“破壞”這個(gè)可怕的計劃。也就是說(shuō),任何一方的科學(xué)家都不要積極投入到原子彈這個(gè)領(lǐng)域中去,這樣大家扯平,人類(lèi)也可以得救。這幾乎是一幕可遇而不可求的戲劇場(chǎng)景,種種復雜的環(huán)境和內心沖突交織在一起,糾纏成千千情結,組成精彩的高潮段落。一方面海森堡有強烈的愛(ài)國熱情和服從性,他無(wú)法拒絕為德國服務(wù)的命令。但海森堡又掙扎于人類(lèi)的責任感,感受到科學(xué)家的道德情懷。而且他又是那樣生怕盟軍也造出原子彈,給祖國造成永遠的傷痕。海森堡面對玻爾,那個(gè)偉大的老師玻爾,那個(gè)他當作父親一樣看待的玻爾,曾經(jīng)領(lǐng)導夢(mèng)幻般哥本哈根派的玻爾,卻也是“敵人”玻爾,視德國為仇敵的玻爾,卻又教人如何開(kāi)口,如何遣詞……少年的回憶,物理上的思索,敬愛(ài)的師長(cháng),現實(shí)的政治,祖國的感情,人類(lèi)的道德責任,戰爭年代……這些融在一起會(huì )產(chǎn)生怎樣的語(yǔ)言和思緒?還有比這更杰出的戲劇題材嗎?

《哥本哈根》的第一幕中為海森堡安排了如此的臺詞:

“玻爾,我必須知道(盟軍的計劃)!我是那個(gè)能夠作出最后決定的人!如果盟軍也在制造炸彈,我正在為我的祖國作出怎樣的選擇?……要是一個(gè)人認為如果祖國做錯了,他就不應該愛(ài)她,那是錯誤的。德意志是生我養我的地方,是我長(cháng)大成人的地方,她是我童年時(shí)的一張張面孔,是我跌倒時(shí)把我扶起的那雙雙大手,是鼓起我的勇氣支持我前進(jìn)的那些聲音,是和我內心直接對話(huà)的那些靈魂。德國是我孀居的母親和難纏的兄弟,德國是我的妻子,是我的孩子,我必須知道我正在為她作出怎樣的決定!是又一次的失???又一場(chǎng)惡夢(mèng),如同伴隨我成長(cháng)起來(lái)的那個(gè)一樣的惡夢(mèng)?玻爾,我在慕尼黑的童年結束在無(wú)政府和內戰中,我們的孩子們是不是要再一次挨餓,就像我們當年那樣?他們是不是要像我那樣,在寒冷的冬夜里手腳并用地爬過(guò)敵人的封鎖線(xiàn),在黑暗的掩護下于雪地中匍匐前進(jìn),只是為了給家里找來(lái)一些食物?他們是不是會(huì )像我17歲那年時(shí),整個(gè)晚上守著(zhù)驚恐的犯人,長(cháng)夜里不停地和他們說(shuō)話(huà),因為他們一早就要被處決?”

這樣的殘酷的兩難,造成觀(guān)眾情感上的巨大沖擊,展示整個(gè)復雜的人性。戲劇本質(zhì)上便是一連串的沖突,如此精彩的題材,已經(jīng)注定了這是一出偉大的戲劇作品。但從歷史上來(lái)說(shuō),這樣的美妙景象卻是靠不住的。Michael Frayn后來(lái)說(shuō)他認為Powers有道理,至少他掌握了以前人們沒(méi)有的資料,也就是Farm Hall Transcript,可惜他的這一寶似乎押錯了。

文章來(lái)源:遼寧教育出版社


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我的征途是星辰大海......
此去經(jīng)年~
2006-4-22 11:47:00 晴

 

即使擺脫了愛(ài)因斯坦,量子論也沒(méi)有多少輕松。關(guān)于測量的難題總是困擾著(zhù)多數物理學(xué)家,只不過(guò)他們通常樂(lè )得不去想它。不管它有多奇怪,太陽(yáng)還是每天升起,不是嗎?周末仍然有聯(lián)賽,那個(gè)足球還是硬梆梆的。你的工資不會(huì )因為不確定性而有奇妙的增長(cháng)??荚嚱话拙矶廊荒玫綄W(xué)分的機會(huì )仍舊是沒(méi)有的。你化成一團概率波直接穿過(guò)墻壁而走到房子外面,怎么說(shuō)呢,不是完全不可能的,但機會(huì )是如此之低,以致你數盡了恒河沙,輪回了億萬(wàn)世,宇宙入滅而又涅槃了無(wú)數回,還是難得見(jiàn)到這種景象。

確實(shí)是這樣,電子是個(gè)幽靈就讓它去好了。只要我們日常所見(jiàn)的那個(gè)世界實(shí)實(shí)在在,這也就不會(huì )增添樂(lè )觀(guān)的世人太多的煩惱??墒茄Χㄖ@不這么想,如果世界是建立在幽靈的基礎上,誰(shuí)說(shuō)世界本身不就是個(gè)幽靈呢?量子論玩的這種瞞天過(guò)海的把戲,是別想逃過(guò)他的眼睛的。

EPR出臺的時(shí)候,薛定諤大為高興,稱(chēng)贊愛(ài)因斯坦“抓住了量子論的小辮子。”受此啟發(fā),他在1935年也發(fā)表了一篇論文,題為《量子力學(xué)的現狀》(Die gegenwartige Situation in der Quantenmechanik),文中的口氣非常諷刺??偠灾?,是和哥本哈根派誓不兩立的了。

在論文的第5節,薛定諤描述了那個(gè)常被視為惡夢(mèng)的貓實(shí)驗。好,哥本哈根派說(shuō),沒(méi)有測量之前,一個(gè)粒子的狀態(tài)模糊不清,處于各種可能性的混合疊加,是吧?比如一個(gè)放射性原子,它何時(shí)衰變是完全概率性的。只要沒(méi)有觀(guān)察,它便處于衰變/不衰變的疊加狀態(tài)中,只有確實(shí)地測量了,它才隨機選擇一種狀態(tài)而出現。

好得很,那么讓我們把這個(gè)原子放在一個(gè)不透明的箱子中讓它保持這種疊加狀態(tài)?,F在薛定諤想象了一種結構巧妙的精密裝置,每當原子衰變而放出一個(gè)中子,它就激發(fā)一連串連鎖反應,最終結果是打破箱子里的一個(gè)毒氣瓶,而同時(shí)在箱子里的還有一只可憐的貓。事情很明顯:如果原子衰變了,那么毒氣瓶就被打破,貓就被毒死。要是原子沒(méi)有衰變,那么貓就好好地活著(zhù)。

自然的推論:當它們都被鎖在箱子里時(shí),因為我們沒(méi)有觀(guān)察,所以那個(gè)原子處在衰變/不衰變的疊加狀態(tài)。因為原子的狀態(tài)不確定,所以貓的狀態(tài)也不確定,只有當我們打開(kāi)箱子察看,事情才最終定論:要么貓四腳朝天躺在箱子里死掉了,要么它活蹦亂跳地“喵嗚”直叫。問(wèn)題是,當我們沒(méi)有打開(kāi)箱子之前,這只貓處在什么狀態(tài)?似乎唯一的可能就是,它和我們的原子一樣處在疊加態(tài),這只貓當時(shí)陷于一種死/活的混合。

現在就不光光是原子是否幽靈的問(wèn)題了,現在貓也變成了幽靈。一只貓同時(shí)又是死的又是活的?它處在不死不活的疊加態(tài)?這未免和常識太過(guò)沖突,同時(shí)在生物學(xué)角度來(lái)講也是奇談怪論。如果打開(kāi)箱子出來(lái)一只活貓,那么要是它能說(shuō)話(huà),它會(huì )不會(huì )描述那種死/活疊加的奇異感受?恐怕不太可能。

薛定諤的實(shí)驗把量子效應放大到了我們的日常世界,現在量子的奇特性質(zhì)牽涉到我們的日常生活了,牽涉到我們心愛(ài)的寵物貓究竟是死還是活的問(wèn)題。這個(gè)實(shí)驗雖然簡(jiǎn)單,卻比EPR要辛辣許多,這一次扎得哥本哈根派夠疼的。他們不得不退一步以咽下這杯苦酒:是的,當我們沒(méi)有觀(guān)察的時(shí)候,那只貓的確是又死又活的。

不僅僅是貓,一切的一切,當我們不去觀(guān)察的時(shí)候,都是處在不確定的疊加狀態(tài)的,因為世間萬(wàn)物也都是由服從不確定性原理的原子組成,所以一切都不能免俗。量子派后來(lái)有一個(gè)被哄傳得很廣的論調說(shuō):“當我們不觀(guān)察時(shí),月亮是不存在的”。這稍稍偏離了本意,準確來(lái)說(shuō),因為月亮也是由不確定的粒子組成的,所以如果我們轉過(guò)頭不去看月亮,那一大堆粒子就開(kāi)始按照波函數彌散開(kāi)去。于是乎,月亮的邊緣開(kāi)始顯得模糊而不確定,它逐漸“融化”,變成概率波擴散到周?chē)目臻g里去。當然這么大一個(gè)月亮完全融化成空間中的概率是需要很長(cháng)很長(cháng)時(shí)間的,不過(guò)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是:要是不觀(guān)察月亮,它就從確定的狀態(tài)變成無(wú)數不確定的疊加。不觀(guān)察它時(shí),一個(gè)確定的,客觀(guān)的月亮是不存在的。但只要一回頭,一輪明月便又高懸空中,似乎什么事也沒(méi)發(fā)生過(guò)一樣。

不能不承認,這聽(tīng)起來(lái)很有強烈的主觀(guān)唯心論的味道。雖然它其實(shí)和我們通常理解的那種哲學(xué)理論有一定區別,不過(guò)講到這里,許多人大概都會(huì )自然而然地想起貝克萊(George Berkeley)主教的那句名言:“存在就是被感知”(拉丁文:Esse Est Percipi)。這句話(huà)要是稍微改一改講成“存在就是被測量”,那就和哥本哈根派的意思差不離了。貝克萊在哲學(xué)史上的地位無(wú)疑是重要的,但人們通常樂(lè )于批判他,我們的哥本哈根派是否比他走得更遠呢?好歹貝克萊還認為事物是連續客觀(guān)地存在的,因為總有“上帝”在不停地看著(zhù)一切。而量子論?“陛下,我不需要上帝這個(gè)假設”。

與貝克萊互相輝映的東方代表大概要算王陽(yáng)明。他在《傳習錄?下》中也說(shuō)過(guò)一句有名的話(huà):“你未看此花時(shí),此花與汝同歸于寂;你來(lái)看此花時(shí),則此花顏色一時(shí)明白起來(lái)……”如果王陽(yáng)明懂量子論,他多半會(huì )說(shuō):“你未觀(guān)測此花時(shí),此花并未實(shí)在地存在,按波函數而歸于寂;你來(lái)觀(guān)測此花時(shí),則此花波函數發(fā)生坍縮,它的顏色一時(shí)變成明白的實(shí)在……”測量即是理,測量外無(wú)理。

當然,我們無(wú)意把這篇史話(huà)變成純粹的乏味的哲學(xué)探討,經(jīng)驗往往表明,這類(lèi)空洞的議論最終會(huì )變成毫無(wú)意義,讓人昏昏欲睡的雞肋文字。我們還是回到具體的問(wèn)題上來(lái),當我們不去觀(guān)察箱子內的情況的時(shí)候,那只貓真的“又是活的又是死的”?

這的確是一個(gè)讓人尷尬和難以想象的問(wèn)題?;艚鹪f(shuō)過(guò):“當我聽(tīng)說(shuō)薛定諤的貓的時(shí)候,我就跑去拿槍。”薛定諤本人在論文里把它描述成一個(gè)“惡魔般的裝置”(diabolische,英文diabolical,玩Diablo的人大概能更好地理解它的意思)。我們已經(jīng)見(jiàn)識到了量子論那種種令人驚異甚至瞠目結舌的古怪性質(zhì),但那只是在我們根本不熟悉也沒(méi)有太大興趣了解的微觀(guān)世界而已,可現在它突然要開(kāi)始影響我們周?chē)囊磺辛??一個(gè)人或許能接受電子處在疊加狀態(tài)的事實(shí),但一旦談?wù)撈鸷暧^(guān)的事物比如我們的貓也處在某種“疊加”狀態(tài),任誰(shuí)都要感到一點(diǎn)畏首畏尾。不過(guò),對于這個(gè)問(wèn)題,我們現在已經(jīng)知道許多,特別是近十年來(lái)有著(zhù)許多杰出的實(shí)驗來(lái)證實(shí)它的一些奇特的性質(zhì)。但我們還是按著(zhù)我們史話(huà)的步伐,一步步地來(lái)探究這個(gè)饒有趣味的話(huà)題,還是從哥本哈根解釋說(shuō)起吧。

貓處于死/活的疊加態(tài)?人們無(wú)法接受這一點(diǎn),最關(guān)鍵的地方就在于:經(jīng)驗告訴我們這種奇異的二重狀態(tài)似乎是不太可能被一個(gè)宏觀(guān)的生物,比如貓或者我們自己,所感受到的。還是那句話(huà):如果貓能說(shuō)話(huà),它會(huì )描述這種二象性的感覺(jué)嗎?如果它僥幸幸存,它會(huì )不會(huì )說(shuō):“是的,我當時(shí)變成了一縷概率波,我感到自己彌漫在空間里,一半已經(jīng)死去了,而另一半還活著(zhù)。這真是令人飄飄然的感覺(jué),你也來(lái)試試看?”這恐怕沒(méi)人相信。

好,我們退一步,貓不會(huì )說(shuō)話(huà),那么我們把一個(gè)會(huì )說(shuō)話(huà)的人放入箱子里面去。當然,這聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)殘忍,似乎是納粹的毒氣集中營(yíng),不過(guò)我們只是在想象中進(jìn)行而已。這個(gè)人如果能生還,他會(huì )那樣說(shuō)嗎?顯然不會(huì ),他肯定無(wú)比堅定地宣稱(chēng),自己從頭到尾都活得好好的,根本沒(méi)有什么半生半死的狀態(tài)出現??墒?,這次不同了,因為他自己已經(jīng)是一個(gè)觀(guān)察者了??!他在箱子里不斷觀(guān)察自己的狀態(tài),從而不停地觸動(dòng)自己的波函數坍縮,我們把一個(gè)觀(guān)測者放進(jìn)了箱子里!

可是,奇怪,為什么我們對貓就不能這樣說(shuō)呢?貓也在不停觀(guān)察著(zhù)自己啊。貓和人有什么不同呢?難道區別就在于一個(gè)可以出來(lái)憤怒地反駁量子論的論調,一個(gè)只能“喵喵”叫嗎?令我們吃驚的是,這的確可能是至關(guān)重要的分別!人可以感覺(jué)到自己的存活,而貓不能,換句話(huà)說(shuō),人有能力“測量”自己活著(zhù)與否,而貓不能!人有一樣貓所沒(méi)有的東西,那就是“意識”!因此,人能夠測量自己的波函數使其坍縮,而貓無(wú)能為力,只能停留在死/活疊加任其發(fā)展的波函數中。

意識!這個(gè)字眼出現在物理學(xué)中真是難以想象。如果它還出自一位諾貝爾物理學(xué)獎得主之口,是不是令人暈眩不已?難道,這世界真的已經(jīng)改變了么?

半死半活的“薛定諤的貓”是科學(xué)史上著(zhù)名的怪異形象之一,和它同列名人堂的也許還有芝諾的那只永遠追不上的烏龜,拉普拉斯的那位無(wú)所不知從而預言一切的老智者,麥克斯韋的那個(gè)機智地控制出入口,以致快慢分子逐漸分離,系統熵為之倒流的妖精,被相對論搞得頭昏腦漲,分不清誰(shuí)是哥哥誰(shuí)是弟弟的那對雙生子,等等等等。薛定諤的貓在大眾中也十分受歡迎,常常出現在劇本,漫畫(huà)和音樂(lè )中,雖然比不上同胞Garfield或者Tom,也算是有點(diǎn)人氣。有意思的是,它常常和“巴甫洛夫的狗”作為搭檔一唱一和出現。它最長(cháng)臉的一次大概是被“恐懼之淚”(Tears for Fears),這個(gè)在80年代紅極一時(shí)的樂(lè )隊作為一首歌的標題演唱,雖然歌詞是“薛定諤的貓死在了這個(gè)世界”。

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飯后閑話(huà):海森堡和德國原子彈計劃(五)

《哥本哈根》一劇于1998年5月21日于倫敦皇家劇院首演,隨后進(jìn)軍法國和百老匯,引起轟動(dòng),囊括了包括英國標準晚報獎(Evening Standard),法國莫里哀戲劇獎和美國東尼獎等一系列殊榮。劇本描寫(xiě)玻爾和夫人瑪格麗特,還有海森堡三人在死后重聚在某個(gè)時(shí)空,不斷地回首前塵往世,追尋1941年會(huì )面的前因后果。時(shí)空維度的錯亂,從各個(gè)角度對前生的探尋,簡(jiǎn)潔卻富予深意的對話(huà),平淡到極點(diǎn)的布景,把氣氛塑造得迷離惝恍,如夢(mèng)如幻,從戲劇角度說(shuō)極其出色,得到好評如潮。后來(lái)PBS又把它改編成電視劇播出,獲得的成功是巨大的。

但Thomas Powers《海森堡的戰爭》一書(shū)的命運卻大相徑庭。甚至早在《哥》劇大紅大紫之前,它便開(kāi)始被許多歷史學(xué)家所批評,一時(shí)間在各種學(xué)術(shù)期刊上幾乎成為眾矢之的。因為對Farm Hall Transcript稍加深入的研究很快就表明事實(shí)完全和Powers說(shuō)的不一樣。海森堡的主要傳記作者Cassidy在為Nature雜志寫(xiě)的書(shū)評里說(shuō):“……該作者在研究中過(guò)于膚淺,對材料的處理又過(guò)于帶有偏見(jiàn),以致于他的精心論證一點(diǎn)也不令人信服。(Nature V363)”而Science雜志的評論則說(shuō):“這本書(shū),就像鈾的臨界質(zhì)量一樣,需要特別小心地對待。(Science V259)”紐約大學(xué)的Paul Forman在《美國歷史評論》雜志上說(shuō):“(這本書(shū))更適合做一本小說(shuō),而不是學(xué)術(shù)著(zhù)作。”他統計說(shuō)在英美的評論者中,大約3/5的人完全不相信Powers的話(huà),1/5的人認為他不那么具有說(shuō)服力,只有1/5傾向于贊同他的說(shuō)法。

而在1998年出版的《海森堡與納粹原子彈計劃》一書(shū)中,歷史學(xué)家Paul Rose大約是過(guò)于義憤填膺,用了許多在學(xué)者中少見(jiàn)的尖刻詞語(yǔ)來(lái)評價(jià)Powers的這本書(shū),諸如“徹頭徹尾虛假的(entirely bogus)”、‘幻想(fantasy)”、“學(xué)術(shù)上的災難(scholarly disaster)”、“臃腫的(elephantine)”……等等。

OK,不管人們怎么說(shuō),我們還是回過(guò)頭來(lái)看看海森堡宣稱(chēng)的一切。首先非常明顯可以感受到的就是他對于德國物理學(xué)的一種極其的自負,這種態(tài)度是如此明顯,以致后來(lái)一位德國教授評論時(shí)都說(shuō):“我真不敢相信他們竟能有如此傲慢的態(tài)度。”海森堡大約是死也不肯承認德國人在理論上“技不如人”的了,他說(shuō)直到1942年雙方的進(jìn)展還“基本相當”,這本身就很奇怪。盟國方面在1942年已經(jīng)對原子彈的制造有了非常清楚的概念,他們明確地知道正確的臨界質(zhì)量參數,他們已經(jīng)做了大量的實(shí)驗得到了充分的相關(guān)數據。到了1942年12月,費米已經(jīng)在芝加哥大學(xué)的網(wǎng)球場(chǎng)房里建成了世界上第一個(gè)可控反應堆,而德國直到戰爭結束也只在這方面得到了有限的進(jìn)展。一旦萬(wàn)事具備,曼哈頓計劃啟動(dòng),在盟國方面整個(gè)工程就可以順利地上馬進(jìn)行,而德國方面顯然不具備這樣的能力。

海森堡的這種驕傲心理是明顯的,當然這不是什么壞事,但似乎能夠使我們更好地揣摩他的心理。當廣島的消息傳來(lái),眾人都陷入震驚。沒(méi)心計的哈恩對海森堡說(shuō):“你只是一個(gè)二流人物,不如卷鋪蓋回家吧。”而且……前后說(shuō)了兩次。海森堡要是可以容忍“二流”,那也不是海森堡了。

早在1938年,海森堡因為不肯放棄教授所謂“猶太物理學(xué)”而被黨衛軍報紙稱(chēng)為“白猶太人”,他馬上通過(guò)私人關(guān)系找到希姆萊要求澄清,甚至做好了離國的準備。海森堡對索末菲說(shuō):“你知道離開(kāi)德國對我來(lái)說(shuō)是痛苦的事情,不是萬(wàn)不得已我不會(huì )這樣做。但是,我也沒(méi)有興趣在這里做一個(gè)二等公民。”海森堡對個(gè)人榮譽(yù)還是很看重的。

但是,一流的海森堡卻在計算中犯了一個(gè)末流,甚至不入流的錯誤,直接導致了德國對臨界質(zhì)量的夸大估計。這個(gè)低級錯誤實(shí)在令人吃驚,至今無(wú)法理解為何如此,或許,一些偶然的事件真的能夠改變歷史吧?

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