的笑话是不宜重复太多的。但是玻尔的文章启发了爱因斯坦,使他想到,为什么不拿出自己的看家本领,用相对论来反驳玻尔呢?于是他作了充分的准备。
1930 年秋天,第六届索尔威会议开幕了。会议由郎之万任主席。这次会议的主题是“物质的磁性”。但是从物理学史和人类思想史的观点来看,关于量于力学基础问题的讨论显然在这次会议上形成了“喧宾夺主”之势。各国的科学家怀着激动的心情,期待着两位巨人之间新一轮论战。
这次,爱因斯坦经过三年的深思熟虑,秣马厉兵,显得胸有成竹,一开始便先发制人。他提出了著名的“光子箱”(又称“爱因斯坦光盒”)思想实验。他提出用相对论的方法,来实现对单个电子同时进行时间和能量的准确测量。如果这个方法可行,那么,即可宣告测不准关系破产,玻尔的工作 和量子论的诠释将被推翻。
爱因斯坦沉着地在黑板上画了一个“光子箱”思想实验的草图,在一小盒子——光子箱中装有一定数量的放射性物质,下面放一只钟作为计时控制器,它能在某一时刻将盒子右上方的小洞打开,放出一个粒子(光子或电子),这样光子或电子跑出来的时间就能从计时钟上准确获知。少了一个粒子,小盒的重量差则可由小盒左方的计量尺和下面的砝码准确地反映出来,根据爱因斯坦质能公式 E=mc2,重量(质量)的减少可以折合成能量的减少。因此,放出一个粒子准确的时间和能量都能准确测得。这与海森堡的不确定性原理完全相左,准确性和因果性再次获得了完整的表达。爱因斯坦最后还着重表示,这一次实验根本不涉及观测仪器的问题,没有什么外来光线的碰撞可以改变粒子的运动。一轮新的论战就这样开始了。
这一回,玻尔遇到了严重挑战。他刚一听到这个实验时,面色苍白,呆若木鸡,感到十分震惊,不能马上找出这个问题的答案。当时他着实慌了手脚,在会场上一边从一个人走向另一个人,一边喃喃地说,如果爱因斯坦正确,那么物理学就完了。据罗森菲尔德回忆,当这两个对手离开会场时,爱因斯坦那天显得格外庄严高大,而玻尔则紧靠在他的旁边快步走着,非常激 动,并徒劳地试图说明爱因斯坦的实验装置是不可能的。
当天夜里,玻尔和他的同事们一夜没合眼。玻尔坚信爱因斯坦是错的,但关键是要找出爱因斯坦的破绽所在。他们检查了爱因斯坦实验的每一个细 ,奋战了一个通宵,终于找出了反驳爱因斯坦的办法。
第二天上午,会议继续进行,玻尔喜气洋洋地走向黑板,也画了一幅“光子箱”思想实验的草图,与爱因斯坦不同的是,玻尔具体给出了称量小盒子重量的方法。他把小盒用弹簧吊起来,在小盒的一侧,他画了一根指针,指针可以沿固定在支架上的标尺上下移动。这样,就可以方便地读出小盒在粒子跑出前后的重量了。然后,玻尔请大家回忆爱因斯坦创立的广义相对论。从广义相对论的等效原理可以推出,时钟在引力场中发生位移时,它的快慢要发生变化。因此,当粒子跑出盒子而导致盒子重量发生变化时,盒子将在重力场中移动一段距离,这样所读出的时间也会有所改变。这种时间的改变,又会导出测不准关系。可见,如果用这套装置来精确测定粒子的能量,就不能准确控制粒子跑出的时间。玻尔随之给出了运用广义相对论原理的数学证明。
这下,爱因斯坦不得不又一次承认,玻尔的论证和计算都是无可指责的。他自己居然在设计这个理想实验时,只考虑了狭义相对论而没有考虑广义相对论,出了一个大疏忽,实在太遗憾了。他意识到在量子力学的形式体系范围内是驳不倒测不准关系的,在口头上承认了哥本哈根观点的自洽性。这时,与爱因斯坦和玻尔都是好朋友的埃伦菲斯特,以开玩笑的口气对爱因斯坦说,你不要再试图制造“永动机”了。爱因斯坦表示欣然接受。
玻尔的胜利赢得了越来越多物理学家对他观点的赞同。量子力学的哥本哈根解释己被绝大多数物理学家奉为正统解释。但玻尔并没有满足在会议上所取得的胜利,他回去后又仔细研究了“爱因斯坦光盒”的每一个细节,并且让他的学生、物理学家伽莫夫制作了一个实体模型。至今这个模型仍保存在哥本哈根的玻尔理论物理研究所中。
在爱因斯坦和玻尔论战的两个回合中,玻尔以其人之道反治其人之身,巧妙地利用爱因斯坦设计的思想实验和他创立的相对论,驳倒了爱因斯坦本人,取得了论战的胜利。虽然爱因斯坦在具体物理问题上失败了,但他对物理世界的基本观点丝毫未变,仍坚持“上帝不会掷骰子”,在量子力学的诠释背后一定有着更根本的规律,它们才能正确、全面解释量子现象。
第三回论战
1935年,爱因斯坦、波道尔斯基和罗森三人联名发表了EPR 文章,把攻击的矛头从量子理论内部逻辑自洽性,转到了量子理论的完备性上来。玻尔对此著文予以答辩。双方争辩的中心是对“物理实在”的理解,实际上是对微观世界特殊规律的认识问题。这表明两位科学巨人已把论战提到了一个新的高度,其意义也更加广泛和深远。
在爱因斯坦和玻尔分别于1955 年和1962 年逝世后,作为他们个人之间的学术争论,当然结束了。但是这场涉及物理学及科学哲学的大论战,目前仍在继续,它的不断深入,甚至可能会酿成一场震撼现代物理学两大支柱——相对论和量子力学的巨大风暴。