作者：武武武文濤

量子力學與哲學辯證：索維爾會議
在科學的發(fā)展史上，哲學與物理學一直都是相互驗證、共同進步的，量子力學建立以后，對于量子力學的物理解釋和哲學意義一直存在著嚴重的分歧，著名的索維爾會議就曾對這一問題產(chǎn)生過激烈的爭論，而這次會議也堪稱是迄今為止物理哲學歷史上最偉大的辯論。許多著名物理學家、哲學家、實驗物理學家、數(shù)學家等都卷入了這場爭論。這場爭論之深刻、廣泛，在科學史上也是罕見的，其中最著名的就是1927年，1930年的第五、第六屆索維爾會議上，以玻爾為代表的哥本哈根學派和愛因斯坦之間關(guān)于量子力學的激烈辯論。
　　論戰(zhàn)的導火索是緣于薛定諤的一次講學。1926年，薛定諤應玻爾的邀請，到哥本哈根介紹他的波動力學。在結(jié)束時，薛定諤提出應該放棄量子躍遷的概念，而代之以三維空間的波來描述微觀客體的行為，即以傳統(tǒng)的連續(xù)性觀念，代替量子力學理論中的間斷性觀念。薛定諤的這一想法一提出來，立即遭到玻爾的強烈反對。這一爭論可以看做是愛因斯坦和玻爾爭論的序幕。
　　以玻爾為代表的量子力學的哥本哈根學派起源于1921年玻爾在丹麥哥本哈根創(chuàng)建理論物理研究所，該研究所成立后迅速成為當時國際上公認的物理研究中心，逐漸形成了以玻爾為核心、以哥本哈根的名字命名的學派。哥本哈根派對量子力學的創(chuàng)立和發(fā)展做出了杰出貢獻，代表人物有玻爾、海森堡、泡利和玻恩等。海森堡的“測不準關(guān)系”和玻爾的“互補原理”構(gòu)成了哥本哈根學派詮釋量子力學的兩大主要支柱。1927年后，逐漸為大多數(shù)物理學家所接受，因此被人們稱為量子力學的“正統(tǒng)”解釋。
　　該學派的主要觀點由以下三部分構(gòu)成：
　　一、波函數(shù)的幾率詮釋：在微觀領(lǐng)域里，力學的因果律和決定論都遭到了破壞。在相同的實驗條件下，可以發(fā)生各種不可預測個體量子過程，每次測量都會由于觀測儀器與客體之間不可控制的相互作用而引進新的實驗條件，使通常情況下的因果鏈被打斷。所以在量子力學中，人們必須放棄力學意義上的因果律和決定論，而把幾率性看成是本質(zhì)的。
　　二、測不準關(guān)系：1927年，海森堡發(fā)表了論文《量子論中運動學和動力學的可觀測內(nèi)容》，并提出了著名的“測不準原理”。為了說明他的測不準原理，海森堡設(shè)計了一個理想實驗：用一個γ射線顯微鏡觀測一個電子。由于顯微鏡的分辨率受光波波長的限制，為了精確確定電子的位置，應該使用波長短的光，而波長越短，光子的動量越大，根據(jù)康普頓散射，引起電子動量的變化就越大。因此電子的位置愈準確，就愈難確定電子的動量。反之亦然。
　　海森堡認為，微觀粒子既不是經(jīng)典的粒子，也不是經(jīng)典的波;當人們用宏觀儀器觀測微觀粒子時，就會發(fā)生觀測儀器對微觀粒子行為的干擾，使人們無法準確掌握微觀粒子的原來面貌;而這種干擾是無法控制和避免的，同樣，能量和時間這種正則共軛物理量也遵從測不準關(guān)系，海森堡認為“這種不確定性，正是量子力學中出現(xiàn)統(tǒng)計關(guān)系的根本原因”。
　三、互補原理：海森堡認為，測不準關(guān)系的存在，表明了位置和動量、時間和能量這些經(jīng)典概念在微觀領(lǐng)域的適用界限;玻爾則認為這一原理并不表明粒子語言和波動語言的不適用性，只是表明同時應用它們既是不可能的，但又必須同等應用它們才能對物理現(xiàn)象提供完備的描述。也就是說，微觀粒子具有波粒二相性，正是用經(jīng)典語言描述微觀客體的結(jié)果，但經(jīng)典理論中波和粒子這兩種圖像卻不能同時存在，它們是相互排斥的，并且，無論是那一種圖像都不能向我們提供微觀客體的完整描述;只有把這兩種圖像結(jié)合起來、相互補充，才能提供微觀客體的完整描述。這就是玻爾的互補原理。這種互補概念適用與整個物理學，甚至成為一種哲學原理。
　　而以愛因斯坦為首的另一部分物理學家，如薛定諤、德布羅意等對哥本哈根學派的觀點尤其是對基因果性上提出了質(zhì)疑。
　　早在1920年，愛因斯坦針對泡利反對連續(xù)區(qū)理論的觀點表示了他自己對“完全的因果性”的信念。1924年他針對玻爾關(guān)于輻射的波動在本質(zhì)上是幾率波的假設(shè)而評論說：“玻爾關(guān)于輻射的意見是很有趣的。但是，我決不愿意被迫放棄嚴格的因果性，將對它進行更強有力的保衛(wèi)。我覺得完全不能容忍這樣的想法，即認為電子受到輻射的照射，不僅它的跳躍時刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去選擇?！?br>　　1927年，在意大利科摩召開的一次紀念意大利科學家伏打逝世一百周年的大會上，玻爾第一次提出了“互補原理”。這篇演說不僅用物理學語言，而且還用了大量的哲學語言。這使科學家們感到震驚。薛定諤等不贊成玻爾的觀點，尤其是不同意把物理學建立在測不準關(guān)系或其他不確定的統(tǒng)計解釋上。一直到1927年10月，愛因斯坦、玻爾等人應邀參加第五屆索維爾會議，這個被稱為凝結(jié)人類一半智慧的會議，也成為歷史上最著名的哲學盛宴。
　　索維爾會議——歷史上的頭腦風暴
　　發(fā)生在上個世二十年代末期的，這次有百年來頂尖物理學家參與的索維爾會議，成為物理學哲學思辨的世界級別的華山論劍，是近代物理學的一個世紀的縮影，是兩個物理學派的經(jīng)典大戰(zhàn)，其意義一直影響到百年后現(xiàn)代物理學的發(fā)展與進步。
　　這次會議上以玻爾、玻恩、海森伯等為代表的哥本哈根學派崛起，奠定了現(xiàn)代量子力學，而質(zhì)疑哥本哈根派量子力學觀點的愛因斯坦、德布羅意、薛定諤等人則受到了羞辱式的打擊。在量子力學方面失去話語權(quán)。但也就是這次沉重的打擊，促使了愛因斯坦開始了物理學意義上的又一次革命，就是大統(tǒng)一理論，愛因斯坦的后半生幾乎把所有的精力都用在了統(tǒng)一量子力學與相對論的道路上來了。
　　因此在愛因斯坦基礎(chǔ)上，上世紀后半期一直到現(xiàn)在，包括霍金等很多的頂尖物理學家們開始把精力用在完成大統(tǒng)一理論上來。
　　索爾維會議是由一位比利時的實業(yè)家歐內(nèi)斯特·索爾維創(chuàng)立并以自己名字命名的。第一屆索爾維會議于1911年在布魯塞爾召開，后來被第一次世界大戰(zhàn)打斷，但從1921年開始又重新恢復，定期3年舉行一屆。到了1927年，這已經(jīng)是第五屆索爾維會議了，這也成了最著名的一次索爾維會議。這次會議因有愛因斯坦、薛定諤等重量級的學者參加而被稱為“物理學全明星夢之隊”。目前流傳得最廣的那張“物理學全明星夢之隊”的照片，就是這次會議的合影。
　　參加這次會議的，幾乎都是當時世界上最頂尖的物理學家，大部分都獲得過諾貝爾獎或者在物理界有著舉足輕重的地位，被號稱“聚集了地球一半智慧的辯論”。這些物理學家奠定了現(xiàn)代物理學的大部分基礎(chǔ)。這次會議從10月24日開始歷時六天，主題是“電子和光子”。

【001】1927年，震驚世界的第五次物理索爾維會議，被稱為——物理學全明星夢之隊的會議

　“有史以來最聰明的照片”，第五次索爾維會議與會者的合影。從左至右分別是：(第三排)皮卡爾德、亨里奧特、埃倫費斯特、赫爾岑、頓德爾、薛定諤、維夏菲爾特、泡利、海森堡、福勒、布里淵;(第二排)德拜、努森、布拉格、克雷默、狄拉克、康普頓、德布羅意、玻恩、玻爾;(第一排)朗繆爾、普朗克、居里夫人、洛倫茲、愛因斯坦、朗之萬、古耶、威爾遜、理查森。（圖片來源：維基百科，量子力學，公版，Benjamin Couprie于比利時布魯塞爾索爾維國際物理研究所。）


　會議的觀點實際上可分為三派，即以布拉格、康普頓為代表的實驗派;以玻爾、玻恩、泡利，海森堡為代表的歌本哈根學派(簡稱G派);還有以愛因斯坦、德布羅意、薛定諤為代表的愛因斯坦派(簡稱A派)。哥本哈根學派的觀點認為：波函數(shù)精確地描述了單個體系的狀態(tài);波函數(shù)提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)，測不準關(guān)系的存在是由于粒子與測量儀器之間的不可控制性;在空間、時間中發(fā)生的微觀過程和經(jīng)典因果律不相容。


　　而愛因斯坦派的觀點認為：一個沒有嚴格因果律的物理世界是不可想象的，并且還認為量子力學可能出了問題。一場影響百年的世紀大辯論即將展開，索維爾的上空空氣開始凝結(jié)。首先是布拉格作關(guān)于X射線的實驗報告，然后康普頓報告康普頓實驗以及其和經(jīng)典電磁理論的不一致。


　　接著世紀的論戰(zhàn)便開始了：

　　A派(愛因斯坦派)首先登場發(fā)言，德布羅意提出了一種“導波”(pivotwave)的理論并試圖把粒子融合到波的圖像里，他認為粒子是波動方程的一個奇點，粒子必須受波的控制和引導。接著G派(哥本哈根派)的泡利舉出一系列實驗結(jié)果反駁德布羅意，德布羅意毫無還手之力，不得不放棄自己的觀點。




　　A派薛定諤站了出來，并為德布羅意辯護，不過他的觀點比較傳統(tǒng)，對于這次辯論來說，毫無幫助，連德布羅意本人也感覺不怎么樣。




　　G派海森堡和玻恩在隨后的發(fā)言中主張量子力學已經(jīng)是完備的，它的基本物理假說和數(shù)學假設(shè)沒有進一步修改的空間。

他們向薛定諤的電子云開火。薛定諤認為電子在空間中實際象波一樣擴散。海森堡指出——薛定諤的計算不能證明自己的主張。薛定諤承認自己的計算不完美，但談論電子軌道是胡扯，應該是波本征態(tài)的疊加。G派玻恩回敬道：“不，一點都不是胡扯?！痹谶@樣激烈的辯論中，其他人也發(fā)表了一些言論?？陀^來講，這不是一群普通的辯論者，他們代表了科學界的當時最好的研究者，沒有人知道，這次的辯論成為經(jīng)典的辯論，也會影響到一百年后，當時的觀點與交鋒，直到現(xiàn)在還沒有一個完美的解釋。

　　A派的愛因斯坦一開始保持著沉默，他也許在想著能夠一次擊敗G派的機會，當玻恩提到他的名字后，他終于提出了自己的一個思路。愛因斯坦提出一個模型：一個電子通過一個小孔得到衍射圖像。

　　愛因斯坦指出兩種觀點：

　　第一，這里沒有一個電子，只有一團電子云，它是一個空間中的實在的。
　　第二，的確有一個電子，電子本身不擴散到空中，而是它的幾率波。

　　愛因斯坦認為，觀點二是比觀點一更加科學，因為它包含了觀點一。但是，愛因斯坦仍然反對觀點二。因為這種幾率性表明，同一個實驗過程會產(chǎn)生許多不同的結(jié)果，感應屏上的許多區(qū)域就要同時對電子的觀測作出反應，這暗示了一種違背相對論的超距作用。


　　G派的玻爾經(jīng)過認真思考后指出：不能避免在測量時儀器對電子不可控制的相互作用，那就是電子與狹縫邊沿的相互作用。

　　愛因斯坦又提出了一個類似托馬斯·楊的雙縫干涉實驗，如果讓大量電子通過兩條縫、那么屏上會出現(xiàn)干涉條紋。若控制電子槍，讓它一個一個地發(fā)射電子，屏幕上就會出現(xiàn)一個一個的亮點，并可測量他們的位置。如果分別關(guān)閉兩條縫，就可以知道電子是通過了那條縫，從而可測出電子的準確路徑。由干涉條紋可計算電子波的波長，從而可精測定電子的動量，否定了測不準關(guān)系。


　　玻爾思考了一會又反駁說，如果關(guān)閉狹縫中的任何一個，就不是原來的實驗狀態(tài)了，在雙縫開啟時出現(xiàn)的干涉現(xiàn)象就不再出現(xiàn)，實驗回到了單縫狀態(tài)，只不過先后通過了兩條單狹縫，等于多了一次與狹縫相互作用的不確定因素。更重要的是，電子行為依賴于壁障上有沒有另一條狹縫，即依賴于我們對實驗的安排。這樣，玻爾把愛因斯坦用來反駁互補原理的理想實驗，反而變成了用互補原理說明波粒二相性的例子。

　　令人非常遺憾的是，玻爾等人的原始記錄沒有被組織方保存下來，這個重要場景只能依靠參加會議的幾個當時人的回憶了。


　　當時，探討的問題不僅僅是科學，還包括很多思想實驗，到目前也是經(jīng)典，或者是未解之謎，比如電子在雙縫前的困境：如何選擇電子的路徑，快速地關(guān)閉及打開狹縫對電子產(chǎn)生的影響。埃侖費斯特在寫給學生的信中說：愛因斯坦像一個彈簧玩偶，每天早上都帶著新的主意從盒子里彈出來，而玻爾則從云霧繚繞的哲學中找到工具，把對方所有的論據(jù)都一一碾碎。
　　海森堡1967年的回憶說：“討論很快就變成了一場愛因斯坦和玻爾之間的決斗：當時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就見面了，于是愛因斯坦就描繪一個思維實驗，他認為從中可以清楚地看出哥本哈根解釋的內(nèi)部矛盾。然后愛因斯坦，玻爾和我便一起走去會場，我就可以現(xiàn)場聆聽這兩個哲學態(tài)度迥異的人的討論，我自己也常常在數(shù)學表達結(jié)構(gòu)方面插幾句話?！?br>
　　“在會議中間，尤其是會間休息的時候，我們這些年輕人——大多數(shù)是我和泡利——就試著分析愛因斯坦的實驗，而在吃午飯的時候討論又在玻爾和別的來自哥本哈根派的人之間進行。一般來說玻爾在傍晚的時候就對這些理想實驗完全心中有數(shù)了，他會在晚餐時把它們分析給愛因斯坦聽。”


　　“愛因斯坦對這些分析提不出反駁，但在心里他是不服氣的?！?br>

　　愛因斯坦在相對論領(lǐng)域是如此成功，他深信自己對領(lǐng)子領(lǐng)域的理解，他絕對不會輕易改變自己的想法。之前，1926年他寫給波恩的信里說：“量子力學令人印象深刻，但是一種內(nèi)在的聲音告訴我它并不是真實的。這個理論產(chǎn)生了許多好的結(jié)果，可它并沒有使我們更接近‘老頭子’的奧秘。我毫無保留地相信，‘老頭子’是不擲骰子的。”“老頭子”是愛因斯坦對上帝的稱謂，“上帝不擲骰子!”就是愛因斯坦的流傳至今的著名論斷。


　　但是第一次論戰(zhàn)他輸了，輸給玻爾的哥本哈根學派。


　　隨著越來越多的人對哥本哈根派的理解，很多科學家都開始支持他們。愛因斯坦非但沒能說服哥本哈根派，反而被弄的無法有力反擊辯解，常常被反駁得說不出話來，愛因斯坦似乎成了“反動”的代言。

　　無論是在相對論，還是量子力學中的光電效應，從1905年開始，愛因斯坦似乎無所不能，成為公認的奇才，而在量子力學的本質(zhì)問題上，很多人表達了對他的失望。他們認為愛因斯坦落后了，當然以這幾年的科學試驗證明，其實也未必哥派就是對的。

　　玻恩說：“我們失去了我們的領(lǐng)袖?！卑愘M非常生氣的說：“愛因斯坦，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?！?br>　　愛因斯坦這一仗似乎輸了，以玻爾為首的哥本哈根派和它對量子論的解釋大獲全勝。但是愛因斯坦還是照樣堅持自己觀點，沒有輕易低頭。


　　第二次論戰(zhàn)


　　時光轉(zhuǎn)瞬，又是三年，1930年的第六屆索爾維會議又進行了兩派的第二次辯論。這一次，愛因斯坦劍指不確定性原理，他試圖尋找到哥本哈根派的核心，希望憑借哥派自身的矛盾擊敗哥派!

　　愛因斯坦提出光箱試驗：箱子里有若干光子，打開時間Δt，只放出一個光子，Δt是確定的。于是箱子輕了Δm，可以用理想的秤測出這個重量，將Δm代入E=mc^2，ΔE也確定。ΔE和Δt都確定，測不準原理不成立。

　　這個實驗的精髓所在是：在精確測量Δt的同時，可以精確測量出Δm，而Δm可以由質(zhì)能方程轉(zhuǎn)化為精確的ΔE，ΔE、Δt都是精確的，測不準關(guān)系失效了。

　　一開始，玻爾對此毫無心理準備，有人描述當時他臉如死灰，張口結(jié)舌，不過就在第二天，經(jīng)過思考，玻爾的勝利到來了。玻爾指出：一個光子跑了，箱子輕了Δm，用理性秤秤，設(shè)位移Δq，根據(jù)廣義相對論的紅移效應，箱子在引力場移動Δq，Δt也相應改變ΔT，可以計算出測不準原理照樣成立：因為紅移改變了時間。

　　這次輪到愛因斯坦說不出話了，愛因斯坦的廣義相對論推翻了他自己提出的光箱試驗。哥本哈根學派再次大獲全勝。

　　玻爾又贏了，愛因斯坦并不甘心，但是愛因斯坦不得不承認哥本哈根的解釋是沒有矛盾的，量子力學依靠概率論。但他認為這種統(tǒng)計描述并不是完整的“圖像”。用愛因斯坦自己的話說，量子力學理論是不完備的，波函數(shù)并不能精確描寫單個體系的狀，它所涉及的是許多體系，只是一個“系宗”。哥本哈根學派的統(tǒng)計描述只是一個中間階段，應當尋求更完備的理論。

　　與此類似，玻姆的理論認為：目前量子力學之所以是一個統(tǒng)計理論(哥本哈根派的解釋)，是因為存在還未發(fā)現(xiàn)的隱變量。個別體系的規(guī)律，正是由它們決定。如果能找出隱變量就可以準確地決定微觀現(xiàn)象每一次測量的結(jié)果，而不只是決定各種可能出現(xiàn)的結(jié)果的幾率。也就是說，如果發(fā)現(xiàn)隱變量，那么因果律還是存在的。

　　第七屆索爾維會議時，愛因斯坦因為納粹德國的迫害背井離鄉(xiāng)而沒有出席，而第五、第六屆會議改變了傳統(tǒng)量子理論，奠定了現(xiàn)代量子力學的基礎(chǔ)。玻爾經(jīng)受住了時間的考驗，從此哥本哈根派思想廣為傳播，被科學界接受，并大方異彩，成了量子力學的統(tǒng)治學說。

　　量子力學的索爾維會議已經(jīng)結(jié)束，愛因斯坦似乎成了量子力學的絆腳石，扮演著當年那些試圖否定相對論的人類似的角色。量子力學產(chǎn)生以來，正確性被科學界大量實驗驗證，然而，量子力學存在一個重大問題沒有解決：量子力學是否是完備的?波函數(shù)是否精確描寫了單個體系的狀態(tài)?真實的量子是如何運作的呢?