量子力学史上的四次大论战

选择字号:   本文共阅读 126 次 更新时间:2017-09-26 15:57:31

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   20世纪初建立的量子力学,在物理学界引起了一场异常激烈而且旷日持久的论战。这场论战的参与者都是当时理论物理的精英,主要有以尼尔斯·玻尔(NielsBohr)为核心的哥本哈根派,包括波恩(MaxBorn)、海森堡(WernerKarlHeisenberg)、泡利(WolfgangErnstPauli);还有就是哥本哈根派的反对者,主要有阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein)、路易斯·德布罗意(LouisdeBroglie)、薛定谔(Schr?dinger)。论战的内容涉及到对量子力学的物理图景、基本原理、完备性甚至哲学基础和世界观等根本问题的争论。

   根据论战内容和时间可将这场大论战划分为四个阶段:第一阶段,1926年薛定谔应玻尔邀请到哥本哈根做《波动力学的基础》的演讲并由此爆发第一次论战;第二阶段,1927年第五届索尔维会议上关于“新量子理论的意思”的第二次论战;第三阶段,1928年第六届索尔维会议上关于不确定原理的第三次论战;第四阶段,1935年EPR论文发表,引起了关于量子力学对物理实在描述的完备性的第四次论战。

   四次论战的内容极为丰富,而且极具深度,触及到物理学的基础和哲学的基本问题。

  

   一、论战爆发

  

   ▲薛定谔方程

   1925年至1926年薛定谔从经典力学的哈密顿——雅可比方程出发,利用变分法和德布罗意物质波理论,将电子看成德布罗意波,用一个波动方程表示,最后得到一个非相对论的波动方程,即著名的薛定谔方程,方程中的波函数用来描述微观粒子的状态,薛定谔的这套理论就是后来所谓的波动力学。虽然薛定谔方程也能产生玻尔原子的量子化能级,但是薛定谔认为这应该表现为振动着的物质波的谐函数而不是跳跃的电子。此后薛定谔很快证明了他的“波动力学”在数学上同哥本哈根学派的“矩阵力学”是等价的。薛定谔认为:波函数本身代表一个实在的和物理的可观测量,即使在原子量级上,经典的连续过程和绝对的决定论照样成立。而以玻尔为核心的哥本哈根学派认为:波函数的平方代表粒子在空间某点出现的概率,在微观领域中,因存在着测量程序对所论述的物理量赖以定义的条件的影响,量子规律本质上是统计性的,非决定论的。由于双方对波函数物理意义的诠释不同,造成了对量子力学本质规律认识上的重大分歧,而孕育其中的论战也就在这年夏末爆发了。

   夏末时候,希望讨论这个分歧的海森堡来到慕尼黑,参加了薛定谔的一个发言讨论会,海森堡试图指出薛定谔观点中的问题并发表自已的见解。他回忆说:“显然,我的观点没有对任何人产生影响,包括平时对我关怀备至的索末菲(A.J.Sommerfeld)在内,大家都被薛定谔数学的巨大成功征服了。”海森堡在听了薛定谔的报告后非常兴奋,当天晚上就给在哥本哈根的玻尔写信。这封信触动了玻尔,于是在9月11日玻尔写信给薛定谔邀请他到哥本哈根来演讲,薛定谔愉快地接受了邀请,开始了那次重要的哥本哈根之行。他于10月1日到达哥本哈根,10月4日为丹麦物理学会发表了题为《波动力学的基础》的演讲。在演讲报告中,薛定谔提出了一个与“哥本哈根观点”相反的见解:“波函数本身代表一个实在的和物理的可观测量。”薛定谔演讲之后,玻尔和海森堡等人尽力克制自己,避免学术分歧造成感情上的不快,在讲演后的欢宴上,他们极尽地主之谊,祝贺薛定谔演讲成功。

   第二天下午论战爆发了,在此后的四天时间里,玻尔、海森堡便单刀直入和薛定谔较量,争论集中在如何解释量子理论方面。海森堡后来回忆说:“玻尔虽然是一个非常周到和有礼貌的人,但在讨论到他认为是极端重要的认识论问题时,他能顽强地坚持己见,并以可怕的不留情面的态度要求所有论点具有完全明确性,甚至在若干小时的奋战后,他也不让步,直到薛定谔承认了他的阐述是不充分的,并且不能解释普朗克的法则,薛定谔所有想绕过这个苦涩结果的企图都逐个在无限吃力的讨论中慢慢被驳倒。”

   薛定谔患了感冒并躺倒在床上,不幸的是他留在玻尔家中。玻尔继续坐在床边对他说:“薛定谔,不管怎样你得承认……”薛定谔接近发火了,他叫道:“假如我们还是摆脱不了这些该死的量子跃迁的话,那么我宁用从来没有涉足过什么量子力学。”玻尔总是对能搞清理解的争论感到高兴,他用称赞使他的精疲力竭的客人安静下来:“但我们都感谢你搞了原子理论,因为你给原子物理的前进带来决定性的一步。”

   最后,第一次论战以谁也没有被对方说服,薛定谔回到慕尼黑而结束。

   显然这次论战的焦点是如何对波函数的物理意义进行诠释。薛定谔认为波函数本身代表一个物理实在的可观测量,电子的确在空间中实际地如波般扩散开去,例如电子的波函数和电子的电荷相乘,就代表了电子的电荷在空间中的实际分布。这样一来,薛定谔的理论就回到了经典的连续过程和决定论上了。玻恩等哥本哈根派认为波函数本身是个不可观测量,波函数的平方代表粒子在空间某点出现的概率,电子本身不会像波那样扩展开去,只是它在空间出现的概率像一个波,严格地按照波函数的分布展开。如此一来,量子规律本质上是统计性的,非决定论的。

  

   二、第五届索尔维会议上的论战

  

   1927年第五届索尔维会议在布鲁塞尔召开,会议从10月24日到29日,为期6天。会议主题是“电子和光子”,其议程如下:首先劳伦斯·布拉格做关于X射线的实验报告;然后康普顿报告康普顿实验以及其和经典电磁理论的不一致;接下来,德布罗意做量子新力学的演讲,主要是关于粒子的德布罗意波;随后,波恩和海森堡介绍量子力学的矩阵理论,而薛定谔介绍波动力学;最后,玻尔在科莫演讲的基础上再次做那个关于量子公设和原子新理论的报告,进一步总结互补原理,给量子论打下整个哲学基础。

   两位实验物理学家做完报告后,大家就对他们的实验做了探讨。然后德布罗意做了报告,他试图把粒子融合到波的图像里去,提出了一种“波导”的理论,认为粒子是波动方程的一个奇点,它必须受波的控制和引导。报告一结束,泡利就批评了这个理论,他首先不能容忍历史车轮倒转,回到一种传统图像中,然后他引了一系列实验结果来反驳德布罗意,最后,德布罗意不得不公开声明放弃他的观点。随后,波恩和海森堡报告了他们的《量子力学》,他们在报告最后说:“我们主张,量子力学是一种完备的理论,它的基本物理假说和数学假设是不能进一步修改的。”薛定谔在他的报告《波动力学》中仍然坚持他那个非常传统的解释,还特别谈到用这个理论如何处理多体问题。这样一来薛定谔很自然地受到了很多人的“攻击”,尤其是来自哥本哈根派的波恩和海森堡。海森堡评论说:“我从薛定谔的计算中看不到任何东西可以证明事实如同他所希望的那样。”薛定谔承认他的计算确实还不太令人满意,不过他依然坚持,谈论电子的轨道是“胡扯”。波恩回敬道:“不,一点都不是胡扯。”专题报告之后,进行了一般性的讨论,洛伦兹作为科学委员会的主席主持了讨论。他在发言中表示,大多数与会者都建议在量子理论中放弃决定论,而他却不同意,并尖锐地提出“人们是不是可以相信决定论?难道非决定论是在原理上不可避免的吗?”在这简短的挑战性的导言后,他请玻尔发言。玻尔接受邀请,重复了他在科摩的讲演《量子公设和原子理论的最近发展》。接着大家对玻尔的观点进行了讨论,讨论中,玻恩提到爱因斯坦,说爱因斯坦曾经考虑过波动性粒子性如何协调的问题。在玻恩发言之后,爱因斯坦起来发言,表达了他对量子力学的一般性见解。

   爱因斯坦认为:“由于对量子理论的应用领域的不同估价,可以从两种观点来看待这一理论。”第一种观点把波函数看成是描述粒子在空间的实在分布;第二种观点把波函数看成是描述粒子在空间出现的几率分布。爱因斯坦承认,第二种观点比第一种观点更加完备,因为第二种观点包含第一种观点。尽管如此,他仍然反对第二种观点。爱因斯坦设计了一个理想实验来阐明他的观点。设有一些电子射向开有一个小孔的壁障而到达一个半球形的底面,那么如何理解电子到达底面的强度——波函数的平方?他认为只有用第二种观点解释,但这必将带来超距作用的结果。因为一个电子在未到达底面之前,它在屏上出现的几率处处相等而在它到达底面的瞬间,它在其他点上的几率就顿时为零,即它在到达底面的瞬间,影响了其他点上电子出现的情况,这显然是一种超距作用。于是爱因斯坦认为从中可以清楚地看出哥本哈根解释的内部矛盾。

   爱因斯坦这种用“超距作用问题”来反驳哥本哈根诠释的意见引起了热烈的讨论。可惜的是,玻尔等人的原始讨论记录没有资料保存下来,至于最后玻尔如何对这个理想实验进行分析,使爱因斯坦提不出反驳,我们就不得而知了,只能通过几位当事人的回忆来粗略地了解下当时的情景了。

   海森堡在1967年的回忆里说道:

   “讨论很快就变成了一场爱因斯坦和玻尔之间的决斗:当时的原子理论在多大程度上可以看成是讨论了几十年的那些难题的最终答案呢?我们一般在旅馆用早餐时就见面了,于是爱因斯坦就描绘一个思维实验,他认为从中可以清楚地看出哥本哈根解释的内部矛盾。然后爱因斯坦、玻尔和我便一起走去会场,我就可以现场聆听这两个哲学态度迥异的人的讨论,我自己也常常在数学表达结构方面插几句话。在会议中间,尤其是会间休息的时候,我们这些年轻人——大多数是我和泡利——就试着分析爱因斯坦的实验,而在吃午饭的时候讨论又在玻尔和别的来自哥本哈根的人之间进行。一般来说玻尔在傍晚的时候就对这些理想实验完全心中有数了,他会在晚餐时把它们分析给爱因斯坦听。爱因斯坦对这些分析提不出反驳,但在心里他是不服气的。”

   玻尔后来回忆说,爱因斯坦有一次嘲弄般地问他,难道亲爱的上帝真的掷骰子不成?早在1926年爱因斯坦写给玻恩的信里,他就说:“量子力学令人印象深刻,但是一种内在的声音告诉我它并不是真实的。这个理论产生了许多好的结果,可它并没有使我们更接近‘老头子’的奥秘。我毫无保留地相信,‘老头子’是不掷骰子的。”

   通过这次论战,大家普遍认识到哥本哈根派关于波函数的解释更具完备性,对量子力学的原理有了更深刻的认识,虽然爱因斯坦和薛定谔提出的反驳一一被玻尔等人驳回而暂时无语,但哥本哈根派的量子力学理论关于量子规律本质上是概率统计性的,非决定论的观点是不会这么容易让虔诚信仰因果律的爱因斯坦心服口服的,更大规模、更加激烈的论战即将到来。

  

   三、第六届索尔维会议上的论战


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