量子力学史上的四次大论战

选择字号:   本文共阅读 1413 次 更新时间:2017-09-26 15:57:31

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   1930年第六届索尔维会议的主题原本是“物质的磁性”,但最后会议发展为关于量子力学基础问题的争论,争论双方主要集中在爱因斯坦和玻尔之间。

   爱因斯坦试图从能量和时间的测量方面来否认不确定关系,设计了一个后来被称为“爱因斯坦光箱”的理想实验。爱因斯坦在黑板上画了一个箱子,并说到,想象箱子里充满辐射,箱壁有一个可以用快门来开合的小孔。称量箱子的重量,开启快门一段时间,让一个光子飞出,再称量箱子的重量。质量的损失必定等于一个光子的质量,根据相对论质能公式,它可以换算成能量的损失。从原则上讲,这一质量或能量损失可以无限精确地测定出来,因此光子的能量不确定性为零。而光子飞出时间的不确定性是有限的时间。这意味着两种不确定性的乘积应当等于零,从而违背了能量——时间的测不准原理。

   玻尔听完爱因斯坦的讲话后,感到十分震惊,顿时束手无策,玻尔遇到了严峻的挑战。根据出席会议的物理学家罗森菲尔德回忆说:

   “(玻尔)极力游说每一个人,试图使他们相信爱因斯坦说的不可能是真的,不然那就是物理学的末日了,但是他想不出任何反驳来。我永远不会忘记两个对手离开会场时的情景:爱因斯坦的身影高大庄严,带着一丝嘲讽的笑容,静悄悄地走了出去。玻尔跟在后面一路小跑,他激动不已,辞不达意地辩解说要是爱因斯坦的装置真的管用,物理学就完蛋了。”

   当天晚上,玻尔和他的同事检查了爱因斯坦光箱实验的每个细节,经过一个夜的苦思,终于想出了一个从广义相对论“红移效应”的反驳爱因斯坦的方案。

   罗森菲尔德接着说:

   “第二天早上,玻尔的胜利便到来了。物理学也得救了。”

   玻尔设想把箱子悬挂在一个精密的弹簧下面,并把快门与箱内的一个时钟相连。他意识到,当时钟随着光子的飞出而向上运动时,根据广义相对论,时钟在引力场中的位移必定会使其快慢发生改变。这就给时间间隔引入了一种不确定性。结果,玻尔的计算表明,能量——时间的测不准原理仍然成立。

   这次论战,爱因斯坦再次被击败了。1930年以后,他似乎承认了哥本哈根派关于量子力学理论内部逻辑的自洽性。1931年,他向瑞典科学院提名“波动力学或量子力学”的创始人薛定谔和海森堡为诺贝尔奖候选人。并于1932年和1933年,海森堡和薛定谔分别获得了诺贝尔奖。但是爱因斯坦远远没有对量子力学感到满意,但仍对玻尔所理解的量子力学统计解释持否定态度,因为量子理论本身并不能证明概率特性就是微观粒子自身的属性。所以接下来,爱因斯坦将攻击方向转移到量子力学的完备性上来,从而使论战达到了顶峰。

  

   四、EPR疑难

   1935年爱因斯坦、波多尔斯基(BorisPodalsky)和罗森(NathanRosen)合写一篇题为《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗?》的论文,发表在《物理评论》杂志上。这篇论文对量子力学提出了最深刻的诘难,不但在物理学上而且在哲学上都达到了一个新的高度,这个诘难以三位发起者的首字母命名为“EPR疑难”。

   EPR认为:自然界是一个实在,它存在于人类意识之外,我们可以通过观察、实验认识它的规律,并且这个规律与我们无关,仅仅属于这外存的实在。虽然由于仪器的影响会出现实验误差,但因为客观存在的性质是独立的,不依赖我们的,所以我们最终能排除仪器的偏差而了解客体的真正性质。并认为任何一个完备的理论都必须包含这样两个前提:

   1、实在性:现象的规律性是由某种独立于人类观察者之外而存在的物理客体所引起的。

   2、定域性:即物体在空间的分离性。物理实体在空间可以彼此彻底不相关地存在,其理由是在我们的宇宙中没有任何一类作用能比光速快。

   接着,EPR提出了一个二体系统的理想实验:

   设一自旋为0的静止粒子衰变成为两个粒子A和B,“上”和“下”为粒子自旋沿任意方向的两个本征态。按照量子力学,测量前系统处于自旋为单态的双粒子纠缠态,即每个粒子的自旋处在一种“上”“下”两个本征态的叠加态。现在我们对A粒子的自旋进行测量,于是它的波函数瞬间坍缩,随机地选择了一个状态。如测量结果为A粒子处于本征态“上”,则B粒子立刻自动处于本征态“下”;如测量结果为A粒子处于本征态“下”,则B粒子立刻自动处于本征态“上”。上述理想实验说明了以下两点:

   1、测量结果必伴随着双粒子态从它的叠加纠缠态坍缩到它的一个本征态,例如坍缩到本征态“上”或“下”,该过程是一个瞬时的非局域的非决定论的过程。

   2、处于纠缠态中的二个粒子,即使不存在因果关连或其间隔为类空间隔,上述测量结果依然成立。

   EPR认为情况1违背了完备性理论的实在性,情况2违背了完备性理论的定域性。虽然在微观物理中,量子力学的计算结果能对实验结果提供准确的预言,它的物理基础却是不完备的有待改进的,这就是著名的“EPR疑难”。

   薛定谔对EPR论文进行了详细的数学表示和推广,并受此启发,同年也发表了一篇题为《量子力学的现状》的论文,提出了更多的疑难,如其中很著名的“薛定谔的猫”疑难。

   同年7月13日《物理评论》编辑部收到了玻尔的论文,这篇文章的题目和EPR文章的题目一样,也取名为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗》,玻尔更仔细地阐明了他的“互补性原理”,然后从这种观点出发,反驳EPR关于完备理论的物理实在性,力主量子力学对物理实在性的描述,进而肯定量子力学理论是完备的。玻尔认为EPR文章中所提出的那种关于物理实在性的判据,本身就是站不住脚的。从而EPR的论证也就不能说明量子力学的不完备性。玻尔认为:测量手段会影响赖以定义物理量的条件,而这种条件对于描述确定的“物理实在”的现象是必不可少的,例如两个局部体系A粒子和B粒子在未观测之前是一个用统一波函数描述的总体系——双粒子纠缠态,它们是相互联系的整体,正因为这种关联,粒子的自旋处在叠加态,这时所谓的自旋不具有物理意义,直到对其中任何一个粒子的测量,自旋才能称为确定的“物理实在”的现象,而这种测量必定会扰动原先作为整体的另一个粒子的状态,因为两粒子原本是协调统一的,之间就无需传递什么超光速的信息。这样一来玻尔并不认为EPR的理想实验违背了物理定域性,只是不赞同他们关于物理实在性的描述。玻尔认为量子现象是一种整体性的概念,只有在完成测量以后,才能称得上是一个现象,纯粹地属于外在世界的性质、规律在量子力学中是不存在的。

   EPR论证未被玻尔接受,同样玻尔的反驳也不能令爱因斯坦信服。这场论战表明,在EPR的“经典实在观”看来,量子力学是不完备的,而在玻尔的“量子实在观”看来,量子力学是非常完备和自洽的。

   两人在哲学基础上的完全不同,直到爱因斯坦逝世也没能得到调和。爱因斯坦的结论是:

   “目前流行的看法是,只有在物理实在的概念削弱之后,才能体现已由实验证实了的自然界的二重性(粒子性和波性)。我认为,我们现有的实际知识还不能做出如此深远的理论否定;在相对论性场论的道路上,我们不应半途而废。”

   这段话写于他逝世的前三年1952年。在生命的最后三十年里,爱因斯坦义无反顾地走上了这条道路,孤独地寻找着一种比量子理论更为基本的理论。

   1962年,就在玻尔去世的前一天,他还在黑板上画了当年爱因斯坦光箱实验的草图,解释给前来的采访者听。这幅图成了玻尔留下的最后手迹。

   至此,量子力学发展史的这场大论战也结束了,虽然这是一场十分尖锐、激烈和旷日持久的论战,但论战双方却始终保持着真挚、深厚的友谊,这是一场真正的学术论战,是学术论战的光辉典范。这场论战大大地促进了人们对量子论本质更深刻的认识,并且支持和深化了正统量子力学观点,同时也开辟了量子信息学等这样一些有广大应用前景的新研究方向。

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