量子力學(xué)史話：玻爾與愛因斯坦的爭論

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1、量子力學(xué)史話：玻爾與愛因斯坦的爭論量子力學(xué)建立以后，對于量子力學(xué)的物理解釋和哲學(xué)意義，一直存在著嚴重的分歧和激烈的爭論。許多著名物理學(xué)家、哲學(xué)家、實驗物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家等都卷入了這場爭論。爭論之深刻、廣泛，在科學(xué)史上是罕見的。在這其中，以玻爾和愛因斯坦之間的爭論最為引人注目。1．量子力學(xué)的哥本哈根學(xué)派的詮釋1921年玻爾在丹麥哥本哈根創(chuàng)建了理論物理研究所，并很快成為當(dāng)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(xué)派。歌本哈根學(xué)派中，對量子力學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展做出了杰出貢獻的代表人物有：玻爾、海森堡、泡利和玻恩等人。海森堡的“不確定性原理

2、”和玻爾的“互補原理”、玻恩的波函數(shù)的幾率詮釋，共同構(gòu)成了哥本哈根學(xué)派詮釋量子力學(xué)的幾大主要支柱。1927年后（也即本文所討論的大爭論之后），逐漸為大多數(shù)物理學(xué)家所接受。因此被人們稱為量子力學(xué)的“正統(tǒng)”解釋。其主要核心理論如下：①波函數(shù)的幾率詮釋：在微觀領(lǐng)域里，經(jīng)典力學(xué)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(yù)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(xué)中，人們必須放棄經(jīng)典力學(xué)意義上的因果律和決定論，而把量力力學(xué)的幾率性看成是本質(zhì)的。②不確定性原理：

3、1927年，海森堡在論文《量子論中運動學(xué)和動力學(xué)的可觀測內(nèi)容》中，提出了著名的“不確定性原理”（uncertaintyprinciple）——歷史上又稱作“測不準(zhǔn)原理”或“不確定關(guān)系”。海森堡不確定性原理是量子力學(xué)的一個基本原理。為了說明他的不確定性原理，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(yīng)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(zhǔn)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

4、的波；當(dāng)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(zhǔn)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，就像盲人想知道雪花的形狀和構(gòu)造。通過仔細分析，海森堡得出電子坐標(biāo)的不確定程度Δx和動量的不確定程度Δp遵從：Δx·Δp≤h/4π；同樣，能量和時間這種正則共軛物理量也遵從測不準(zhǔn)關(guān)系。海森堡認為“這種不確定性，正是量子力學(xué)中出現(xiàn)統(tǒng)計關(guān)系的根本原因”。③互補原理：海森堡認為，測不準(zhǔn)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(yīng)

5、用它們既是不可能的，但又必須同等應(yīng)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象卻不能同時存在，它們是相互排斥的，并且，無論是那一種圖象都不能向我們提供微觀客體的完整描述；只有把這兩種圖象結(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(xué)，甚至成為一種哲學(xué)原理。哥本哈根學(xué)派的主要思想和觀點大致可概括為四個方面：①可觀察量是建立理論的基礎(chǔ)和依據(jù)。②量子躍遷是量子力學(xué)的最基本概念。③描述微觀客體的波函數(shù)是一種幾率波，粒子出現(xiàn)的幾率

6、由波幅的平方所決定。④從實驗中所觀察到微觀現(xiàn)象，滿足測不準(zhǔn)關(guān)系和互補原理。1．愛因斯坦的觀點以愛因斯坦為首的另一部分物理學(xué)家，如薛定諤、德布羅意等對哥本哈根學(xué)派的觀點提出了質(zhì)疑。主要表現(xiàn)在兩方面：①因果性還是幾率波？早在1920年1月27日，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4月愛因斯坦給玻恩夫婦的信中，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

7、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?！雹诹孔恿W(xué)僅可建立在可觀察量的基礎(chǔ)上？愛因斯坦對這一觀點也提出異議。1926年春天，他在海森堡的一次談話中，提出了“是理論決定我們能夠觀察到的東西”的觀點。3．論戰(zhàn)的爆發(fā)①序幕：1926年9月，薛定諤應(yīng)玻爾的邀請，到哥本哈根介紹他的波動力學(xué)。在結(jié)束時，薛定諤提出應(yīng)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(xué)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。②玻爾的互補原理：1927年9月

8、，在意大利科摩召開的一次紀念意大利科學(xué)