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量子力学史话:玻尔与爱因斯坦的争论

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确测定;由于飞出一个光子而引起的整个箱子的质量改变Δm也可精确测定,由只能关系式即可计算出能量的变化ΔE。这样Δt和ΔE就可同时精确测定。测不准关系不再成立。 听了爱因斯坦“光子箱”的发言,据说当时玻尔“面色苍白,呆若木鸡”。面对这一严重挑战,玻尔经过一个不眠之夜的思考,终于找到了爱因斯坦的疏漏之处,第二天玻尔做了一个漂亮的回答。他指出,如果光子箱的重量是用弹簧秤来测量的,那么当光子飞出去而引起箱子的重量发生变化时,箱子必将沿重力方向发生运动。这时,即使重量的测量是准确的,但是由于箱子在重力场中发生了位置变化,箱子内的钟的快慢也将因广义相对论的红移效应而发生改变,从而使时间的测量产生一个不确定量。玻尔由此得出结论:用这种仪器作为精确测定光子能量的工具,将不能控制光子逸出的时间。

爱因斯坦精心设计的“光子箱”理想实验,不但没有难倒玻尔,反而成了测不准原理的一个绝好例证。爱因斯坦不得不承认玻尔的结论无可指责。

② “EPR佯谬”:第六届索尔维会议之后,爱因斯坦承认了海森堡的测不准原理和量子力学理论在逻辑上的自恰性,但是仍坚持认为量子力学是不完备的。1935年5月爱因斯坦和美国物理学家波多尔斯基(B.E.Podolsky)、罗森(N.Rosen)合作发表了《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》,对量子力学完备性提出了有力的反驳,即“EPR佯谬”。文章在论述完“完备”理论的必要条件和鉴别“物理实在”的充分条件后认为:对于一对共扼物理量只能是:或者认为量子态Ψ对于实在的描述是不完备的;或者是对应于这两个不能对易的算符的物理量不能同时具有物理的实在性。

最后爱因斯坦等人得出结论:量子力学的波函数只能描述多粒子组成的体系(系综)的性质,而不能准确的描述单个体系(如粒子)的某些性质;但是一个完备性的理论应当能描述物理实在(包括单个体系)的每个要素的性质,所以不能认为量子力学理论描述是完备的。

③波尔对“EPR佯谬”的应答:波尔认为,不可能以毫不含糊的方式来确定EPR所指的那些物理量,因为物理量本身就同测量条件和方法紧密联系着,确定物理量的这些条件使EPR所做的关于“实在”的定义在本质上就含糊不清了。玻尔认为,任何量子力学测量结果的报道给我们的不是关于客体的状态,而是关于这个客体侵没在其中的整个实验场合。这个整体性特点,就保证了量子力学描述的完备性。

5.没有结尾的尾声

由于二次世界大战,争论平息了一个时期。直到1948年,爱因斯坦对EPR佯谬又做了一次深入的讨论。1949年玻尔也发表了《就原子物理学的认识论问题和爱因斯坦进行商榷》的长篇文章,但基本都属于“各说各的”的历史追述,而不像以前那样针锋相对的论战了。 这是一场真正的科学论战。爱因斯坦完全承认,统计性的量子理论为理论物理学代来了极其重大的进展;这个理论也是迄今为止唯一能把二相性以逻辑上令人满意的方式统一起来的理论。玻尔更是这样,据他的助手回忆,在每一个重大问题上,玻尔习惯上总是先考虑爱因斯坦是怎样想的;1962年11月18日玻尔逝世时,人们在他工作室的黑板上发现了两张草图,其中之一就是爱因斯坦的光子箱。

6.意义

爱因斯坦和玻尔的争论,使量子力学的意义不断得到澄清,一步步逐渐深入的揭示了量子力学的本质含义。这场争论也是量子力学发展的一个组成部分。这个争论的一个中心论题是:科学规律本质上是因果性的,还是概率性的?

这场争论并没有破坏他们的友谊,他们相互尊重,为后人树立了榜样。

当代物理学家惠勒(J.A.Wheeler)说:“我不知道哪里还会再出现两各更伟大的人物,在更高的合作水平上,针对一个更深刻的论题,进行一场为时更长的对话。”

关于量子力学的解释涉及许多哲学问题,其核心是因果性和物理实在问题。按动力学意义上的因果律说,量子力学的运动方程也是因果律方程,当体系的某一时刻的状态被知道时,可以根据运动方程预言它的未来和过去任意时刻的状态。但是量子力学对决定状态的物理量不能给出确定的预言,只能给出物理量取值的几率。在这个意义上,经典物理学因果律在微观领域失效了。

量子力学表明,微观物理实在既不是波也不是粒子,真正的实在是量子态。真实状态分解为隐态和显态,是由于测量所造成的,在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义。 微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上。量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体,它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的。

玻尔:谁如果在量子面前不感到震惊,他就不懂得现代物理学;同样如果谁不为此理论感到困惑,他也不是一个好的物理学家。

总之,量子力学冲破了经典物理的局限,迅速发展起来,成为我们研究微观世界的有力武器。普朗克、卢瑟福、玻尔、德布罗意、薛定谔、海森堡等科学家为追求真理而勇于探索的精神,成为我们学习的榜样。

量子力学史话:玻尔与爱因斯坦的争论

确测定;由于飞出一个光子而引起的整个箱子的质量改变Δm也可精确测定,由只能关系式即可计算出能量的变化ΔE。这样Δt和ΔE就可同时精确测定。测不准关系不再成立。听了爱因斯坦“光子箱”的发言,据说当时玻尔“面色苍白,呆若木鸡”。面对这一严重挑战,玻尔经过一个不眠之夜的思考,终于找到了爱因斯坦的疏漏之处,第二天玻尔做了一个漂亮的回答。他指出,如果光子箱的重量是用弹簧秤来测量的,那么当光子飞出
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