回顧量子百年（第三節(jié)）：玻愛世紀(jì)之爭

發(fā)布時間：2023-04-18 15:21:56 信息來源：閱讀次數(shù)： 6959 次

玻爾和愛因斯坦是好朋友，兩人都是量子力學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人，但他們對量子理論的詮釋卻各執(zhí)己見，毫不退讓。玻愛之爭有三個回合值得一提，第一回合發(fā)生在1927年的第五屆索爾維會議上。

那是一場物理學(xué)界的群英會。會議合影里的29人中，有17人獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

玻愛之爭的雙方人馬旗鼓相當(dāng)。玻爾的哥本哈根學(xué)派在人數(shù)上占優(yōu)勢，但對手這邊三個人物一個比一個分量重：德布羅意、薛定諤、愛因斯坦。

在正式會議階段，玻爾和哥本哈根學(xué)派對量子理論的解釋占了壓倒性優(yōu)勢。愛因斯坦的質(zhì)疑通常在正式會議之外提出，而兩派人馬的辯論和交鋒，則大部分發(fā)生在每天會前會后的餐桌上。

愛因斯坦的出發(fā)點是經(jīng)典力學(xué)中的三個假設(shè)——守恒律、確定性、局域性。一般來說，在守恒律方面爭議不大。但海森堡提出的不確定性原理違背了確定性的假設(shè)，這是愛因斯坦所不能忍受的。

海森堡1925年發(fā)現(xiàn)電子的運動實際上并無軌跡可言，因為電子的位置和動量不可能同時被確定：位置的不確定性越小，動量的不確定性就越大，反之亦然。海森堡由此提出不確定性原理。

愛因斯坦的觀點可以用其名言“上帝不擲骰子”來概括，即世界的本質(zhì)不是隨機的，與經(jīng)典力學(xué)的觀點一致。那些看起來無法解釋的隨機現(xiàn)象，是因為有尚未發(fā)現(xiàn)的“隱變量”，一旦我們找出了這些隱藏著的變量，隨機性就不復(fù)存在了。

然而，哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，微觀世界的隨機性是內(nèi)在的、本質(zhì)的，并沒有什么隱藏得更深的隱變量，有的只是“波函數(shù)坍縮”到某個本征態(tài)的概率。

最后直到會議結(jié)束，兩派仍然各執(zhí)己見，誰也沒有被對方說服。

三年后的第六屆索爾維會議上，兩派人馬再次華山論劍。愛因斯坦提出了他著名的“光子盒”思想實驗。實驗裝置是一個裝有發(fā)光物質(zhì)的密封盒子，盒子上開了一個小洞，洞口的機械鐘可以精確控制擋板的開啟時間。同時，盒子懸掛在一個精密的彈簧秤上，以測量其質(zhì)量。

實驗開始時，先測量一次盒子質(zhì)量，然后在短時間內(nèi)控制開啟快門讓一個光子逸出，當(dāng)快門關(guān)閉后，再測量一次質(zhì)量。設(shè)盒子所減少的質(zhì)量為m，光子的能量即E=mc2。

愛因斯坦認(rèn)為，在這個實驗中，時間由機械鐘控制測量，光子的能量可通過彈簧秤測量質(zhì)量差得到，兩者獨立進行，互不干涉，理論上都可準(zhǔn)確測量。以此來說明時間和能量不能同時準(zhǔn)確測量的不確定性原理是不成立的，玻爾一派的觀點不正確，量子力學(xué)不自洽。

愛因斯坦的光子盒實驗，當(dāng)場讓玻爾啞口無言。但是只過了一個晚上，玻爾用愛因斯坦自己的廣義相對論，指出了光子盒實驗的缺陷。

玻爾指出：光子跑出后，掛在彈簧秤上的盒子質(zhì)量變輕，即會上移，根據(jù)廣義相對論，如果時鐘重力方向發(fā)生位移，時鐘的快慢會發(fā)生變化。這樣一來，盒子里的機械鐘讀出的時間就會因為這個光子的跑出而發(fā)生改變。換言之，使用這種裝置，如果要測定光子的能量，就不能精確控制光子逸出的時刻。

愛因斯坦被玻爾的回?fù)趔@得目瞪口呆，自此以后，便放棄了從不確定性原理這一方面來攻擊量子力學(xué)的想法。“量子理論也許是自洽的，”他說，“但至少是不完備的。”

玻爾那晚也的確被愛因斯坦的“光子盒”問題擾得心神不安，日后多年他仍然一直耿耿于懷。據(jù)說，在玻爾1962年去世時，他工作室的黑板上還畫著當(dāng)年愛因斯坦的那個光子盒。

1933年第七屆索爾維會議，愛因斯坦未能出席，因為他被納粹趕出了歐洲，剛剛準(zhǔn)備接受美國普林斯頓高等研究院的教授職位。沒有愛因斯坦在場，德布羅意和薛定諤都不喜歡與人辯論，所以這一年的索爾維會議上，玻爾的哥本哈根學(xué)派唱了一場獨角戲，一切安好。

終于在1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森在《物理評論》（Physics Review）雜志上發(fā)表了他們共同署名的論文。愛因斯坦設(shè)想出著名的“EPR佯謬”（E、P、R分別代表論文的三位作者）。這算是他與玻爾一派論戰(zhàn)的第三個回合。

愛因斯坦在論文中，第一次使用了一個超強武器，后來被薛定諤命名為“量子糾纏”。

▍背景簡介：本文摘自公眾號“光子盒”。

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