量子力学的进一步发展.doc

量子力学的进一步发展1、玻尔与爱因斯坦的论争 在科学史上，曾经发生过许多重大的学术论战，爱因斯坦和玻尔之间的论战可称得上是最深入、最精辟、最有代表性的，同时也是最友好、最尊重对方、最能体现科学精神的一次论战。论战的直接问题是关于量子力学的物理诠释，但其意义已远远超出了量子力学的范围，直接关系到认识论的基本问题。因这场论战受到了广泛的重视，引起了持久的兴趣。尽管争论十分尖锐、十分激烈，但他们却终保持着深厚、真挚的友谊。这是一场真正的学术论战，是学术论战的一个光辉典范。 1926年，维也纳理论物理学家薛定谔发表了关物质波的理论，证明物质在原子水平上的行为可用波函数来描述。薛定谔的理论很优美，容易理解并且完全协调一致。它的方程产生玻尔原子的量子化能级，但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他的“波动力学”在数学上同“矩阵力学”等价的。薛定谔认为：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。而量子力学的哥本哈根学派认为：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影响，量子规律本质上是统计性的，非决定论的，波函数的平方代表粒子在空间某点出现的概率。哥本哈根学派的代表人物就是N玻尔。 在夏季末，希望讨论这个问题的海森堡出现在慕尼黑的一个薛定谔将要发言的讨论会上，海森堡试图指出薛定谔观点中的问题并发表自己的见解。他回忆说：“显然，我的观点没有对任何人发生影响，包括平时对我关怀备至的索末菲在内，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“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。第二天下午风暴来了，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，他说道：“假如人们必须继续讨论这些该死的量子跃迁，那么很遗憾我当初搞了原子理论。”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。” 玻尔和海森堡于是着手研究调和原子理论的双重问题。海森堡坚持主张完全放弃模型而密切依靠数学，而玻尔认为量子力学的数学表达形式，不能作为对这个理论的物理意义进行解释的基础，希望制定一个公式能使物质和光可以同时作为粒子和波而存在；因而二人发生了不愉快的争论。1927年2月末，海森堡说他们俩“完全精疲力竭并相当紧张”。玻尔决定到挪威去滑雪。玻尔走后，海森堡独自留在哥本哈根，开始了他那最富有成效的思索。海森堡想到在一个关于理论在科学工作中的价值的谈话中爱因斯坦曾说过“正是理论决定我们能观察到什么”。这项记忆使海森堡不能平静，在3月初已过了午夜的一个很冷的夜晚，他走出研究所，来到法拉德公园的开阔的足球场，在这里进行最佳的思考。他回忆道：“在星空下的这次散步使我有了一个明显的想法，那就是必须假定只有在量子力学数学形式框架中能够描述时，自然才允许实验情况发生。”海森堡立即得到一个惊人的结论，即在原子的极端微小的尺度上，对事件能知道的准确程度必然存在固有的极限，一项测量使另一项测量不准确。海森堡回到屋里，开始把他的想法用数学表示出来，即位置和动量测出值不准确度的乘积不能小于普朗克常数，这就是著名的“不确定原理（uncertainty Principle）”。这一原理意味着物理学中严格决定论的终结。因为假如原子事件本质上是界线不清的，假如不能获得关于个别粒子的位置在时空上全面的信息，那么对它们未来行为的预测只能是统计的。海森堡似乎忘了和玻尔争吵的不快，把自己的想法简要地写在信上寄往在挪威的玻尔，在信的末尾，海森堡流露出“头头不在研究所里”的怅惘心情。 玻尔收到海森堡的信后，即刻从挪威动身，并带回他自己的一个更宏大的概念，它的力量可以回溯到他最早关于二重性和不明确性。他也为海森堡的成就而兴高采烈，但是又因为一些新的分歧而开始了新的争论，因为海森堡没有把不确定原理建立在粒子和波的二重性上。不论海森堡怎样有才华，毕竟他才26岁，他还是让步了，他同意不确定原理只是玻尔创立的一个更普遍概念的特例，争论的结果是玻尔的“互补原理”最终形成。于是玻尔开始起草他那著名的科莫演讲。1927年夏末，墨索里尼的法西斯政府在科莫召开了一次国际物理大会。科莫位于意大利北部湖区的峡湾形的科莫湖的西南端。很多人都去了那里，但爱因斯坦没去，他拒绝把他的声望送给法西斯主义。其他人去是因为量子论遇到围攻，而玻尔则打算发言保卫它。 在愉快的九月的科莫，玻尔作了关于量子假设与原子论的最新进展的报告，开始了他那朦胧而又有深刻思想的演说。玻尔认为：“我们在科学中使用的理想化概念都是来自日常生活的普遍经验，这些经验本身不能进一步加以分析；因此，只要任何两种理想化的概念表现不相容时，这只能意味着它们的有效性上增加了某种相互局限性。”玻尔继续说道：“作为粒子的光和波的光，作为粒子的物质和波的物质，它们都是互相排斥的抽象物，但又彼此补充。它们不能合并和分解，它们只能在似乎是悖论和矛盾中并列。”他给这个“普遍的观点”取名为“互补性（Complemellorlty）” 然后，玻尔仔细地逐个考察了经典物理学同量子物理学的矛盾，并且阐明“互补性”如何可以澄清它们。玻尔认为：“解决的办法就是承认这两种不同的并互相排斥的结果同样有效，把它们并列在一起，建立一种原子领域的综合图景，只有整体性才能导致明确性。”玻尔进一步认识到：“在量子力学中，独立于仪器的实在的概念是没有意义的，这是因为在每一次测量中由于不可控制的作用量子的参与，测量过程中出现的每一时空事件都不可能有因果关系。所以，在涉及原子尺度时应抛弃经典物理学的神圣决定论，取而代之的是统计方法。” 17和18世纪时，天体力学获得很大的成就，它使人深信预测明确的单值的可能性。皮埃尔拉普拉斯（Pierre Laplace，17491827）曾以科学能力的无限可能性引为骄傲：“只要你能给我所在粒子的坐标和速度，我就能预言宇宙的未来。”拉普拉斯的这一梦想在原子量级范围内被玻尔否定了。在科莫有不少老物理学家不出所料地没有被说服。爱因斯坦听到玻尔的想法后也没有转变过来。1926年他曾就量子论的统计性质给马克斯玻恩（Max Born，18821970）写信说：“量子力学需要严加注意，但是一个内心的声音告诉我这不是真正的上帝门徒。这个理论获得不少成就，但并未使我们更接近造物主的秘密。不管怎样，我相信他不玩掷骰子。” 在科莫会议的一个月后，即1927年10月下旬，在布鲁塞尔召开了第五届索尔维会议，爱因斯坦和玻尔都出席了，此外还有普朗克、居里夫人、玻恩、厄伦菲斯特、洛伦兹、薛定谔、泡利、海森堡以及其他一些人。海森堡回忆道：“我们全住在一个旅馆里，发生了尖锐的争论，不是在会议厅内，而是在旅馆的餐桌上。”爱因斯坦拒绝接受在原子水平上不能有决定论，以及宇宙的精微结构是不可知的，只存在统计方法的想法。海森堡写道：“他直截了当地拒绝接受不确定原理，并且试图想出一些使这一原理不能维持的情况。”爱因斯坦常是在早餐时提出一个挑战性的思维实验，辩论就会整天进行下去，“但是，通常到晚饭的时候，我们会来到一起，那时尼尔斯玻尔能驳回爱因斯坦的证明，甚至他最新的实验也不能动摇不确定原理。爱因斯坦似乎有点恼火，但第二天早晨他又有一个新的假想实验，比上一个还要复杂。”这样继续了好几天，直到爱因斯坦的老朋友埃伦菲斯特斥责说：爱因斯坦反驳量子论，正像他的对手反驳相对论同样都是无理的。但爱因斯坦继续不动摇。 1929年，玻尔在自然科学周刊献给普朗克的专号上，写了一篇题为作用量子和自然的描述的文章，在文中，他从三个不同的方面把他的方法与爱因斯坦的相对论作比较，希望以此来改变爱因斯坦的观点。爱因斯坦看到玻尔的文章后很受启发。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？于是也作了充分的准备。1930年秋天，第六届索尔维会议开幕了，各国的科学家怀着激动的心情，等待着两位巨人之间新的一轮论战。这次爱因斯坦经过三年的深思熟虑，袜马厉刀，显得胸有成竹。他沉着地走向黑板，画出一幅草图。这就是著名的“爱因斯坦光盒”实验，一场新的论战就这样戏剧性的开始了。显然，玻尔遇到了严峻的挑战，他感到十分震惊，束手无策。他那睿智的目光变得异常呆板，他在会场上走来走去，并喃喃说道：“如果爱因斯坦正确，那么物理学就完了。” 当天晚上，玻尔和他的同事们根本未想到睡觉。玻尔坚信爱因斯坦是错的，但关键是要找出爱因斯坦究竟错在哪里。他们检查了爱因斯坦光盒实验的每一个细节，奋战了一个通霄，终于找到了反驳爱因斯坦的办法。第二天上午会议又开始了，玻尔喜气洋洋地走向黑板，也画了一幅与“爱因斯坦光盒”非常类似的草图，他巧妙的利用爱因斯坦的广义相对论，经过严密的逻辑推理和简洁的数学证明，再度重现不确定原理，这是爱因斯坦万万没有料到的。玻尔“以其人之道还治其人之身”的方法，使爱因斯坦明智地意识到：在量子力学的形式体系范围内是驳不倒不确定原理的。他不再怀疑不确定原理，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，他虽然放弃了对量子理论内部逻辑自洽性的诘难，但却把进攻的方向转到了量子理论的完备性上来，从而使论战达到了顶峰，并酿成了一场震憾现代物理学的巨大风暴。 1935年5月，爱因斯坦、玻道耳斯基（BPodolsky）、罗森（NRosen）合写了一篇题为能认为量子力学对物理世界的描述是完备的吗？的论文。这篇论文，不但在物理学上而且在哲学上都达到了一个新的高度，并对量子力学提出了最深刻的诘难，因而人们以三个科学家姓氏的第一个字母将其命名为“EPR停论”。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M体系统的理想实验：对于一个由A和B组成的M体系统，按照量子力学的观点，此二体的“动量之和”与“位置之差”是可以同时测准的。比如，考虑两个粒子构成的系统，两个粒子的动量和位置差在某方向的分量具有确定的值：与。测量一个粒子的动量，可以准确地推知另一粒子的动量；测量一个粒子的位置，也可以准确地推知另一粒子的位置。现在考虑这两个粒子在散射以后已彼此离得很远。根据定域性原理，可以认为对一个粒子所作的测量不会对另一个粒子产生任何影响。EPR认为，如果人们可以不对某物体产生干扰而能推知其某个物理量的准确性，那么，对应于该物理量应当存在一个物理实在。现在来对粒子A测量动量，设测量值为，由此可以推知粒子B的动量为，显然对A的测量过程没有对B产生任何干扰。同时对A的位置测量，也可推知B的位置。从这个假想实验可以看出，B应当同时具有准确的动量和准确的位置。就是说，动量和位置应当同时是粒子B的物理实在。而量子力学的不确定原理否定存在同时测准它们的方法。因此，爱因斯坦、玻道耳斯基和罗森认为量子力学是不完备的。 1935年10月 15日，玻尔以同样的标题在同一家杂志发表了一篇文章，对EPR的诘难提出反驳。玻尔认为，虽然在测量阶段对所研究的系统并无干扰可言，但对确定系统将来行为的可能方式的条件是有重要影响的，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；或者说，既然两个局部体系A和B形成一个用统一波函数描述的总体系，就没有理由说分别加以考察的A和B是互不相干的独立存在。玻尔认为：在微观领域内，本质上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。我们平常所说的“物理现象”是包含了我们自身在内的，我们必须考虑认识主体。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。这场论战的结果未分胜负，玻尔坚持完备性，其理论中就必须包含有超距关联，爱因斯坦坚持定域的实在论，因而他怀疑量子力学的完备性。 关于量子力学的评价与解释问题的意见分歧，不仅发生在爱因斯坦与玻尔之间，事实上量子力学本质上的统计特征以及正统解释回避量子力学本体论问题，一直使许多物理学家感到困惑和不满。20世纪50年代，玻姆（DBohm）等人普遍认为：自然中应该存在某种潜在东西或潜在过程的实在性。因此，他们主张更加深入地追求这种类空间关联的物理背景，从而形成了一种既隐含爱因斯坦的实在论，又与量子力学相容的更完备的理论，即所谓“定域性的隐参量理论”。“隐参量”是用以代表尚未为人知晓的一些“超微观”量，一个系统的各客体可以在“超微观”水平上不同，相应的隐参量可以有不同的值。对于单个客体，其隐参量应当具有确定的值，测出的物理量也应是确定的。正是不同客体可以有不同的确定值，才导致了量子测量的统计性。这样，就把波函数描述的统计性质归之于人们对隐参量未能确切知晓。然而，一旦人们的认识进入了超