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回顾量子百年(第三节):玻爱世纪之争

发布时间:2023-04-18 15:21:56  信息来源:  阅读次数: 4078 次

玻尔和爱因斯坦是好朋友,两人都是量子力学的开创者和奠基人,但他们对量子理论的诠释却各执己见,毫不退让。玻爱之争有三个回合值得一提,第一回合发生在1927年的第五届索尔维会议上。

 
那是一场物理学界的群英会。会议合影里的29人中,有17人获得了诺贝尔物理学奖。



玻爱之争的双方人马旗鼓相当。玻尔的哥本哈根学派在人数上占优势,但对手这边三个人物一个比一个分量重:德布罗意、薛定谔、爱因斯坦。
 
在正式会议阶段,玻尔和哥本哈根学派对量子理论的解释占了压倒性优势。爱因斯坦的质疑通常在正式会议之外提出,而两派人马的辩论和交锋,则大部分发生在每天会前会后的餐桌上。
 
爱因斯坦的出发点是经典力学中的三个假设——守恒律、确定性、局域性。一般来说,在守恒律方面争议不大。但海森堡提出的不确定性原理违背了确定性的假设,这是爱因斯坦所不能忍受的。
 
海森堡1925年发现电子的运动实际上并无轨迹可言,因为电子的位置和动量不可能同时被确定:位置的不确定性越小,动量的不确定性就越大,反之亦然。海森堡由此提出不确定性原理。
 
爱因斯坦的观点可以用其名言“上帝不掷骰子”来概括,即世界的本质不是随机的,与经典力学的观点一致。那些看起来无法解释的随机现象,是因为有尚未发现的“隐变量”,一旦我们找出了这些隐藏着的变量,随机性就不复存在了。
 
然而,哥本哈根学派认为,微观世界的随机性是内在的、本质的,并没有什么隐藏得更深的隐变量,有的只是“波函数坍缩”到某个本征态的概率。
 
最后直到会议结束,两派仍然各执己见,谁也没有被对方说服。
 
三年后的第六届索尔维会议上,两派人马再次华山论剑。爱因斯坦提出了他著名的“光子盒”思想实验。实验装置是一个装有发光物质的密封盒子,盒子上开了一个小洞,洞口的机械钟可以精确控制挡板的开启时间。同时,盒子悬挂在一个精密的弹簧秤上,以测量其质量。
 

 
实验开始时,先测量一次盒子质量,然后在短时间内控制开启快门让一个光子逸出,当快门关闭后,再测量一次质量。设盒子所减少的质量为m,光子的能量即E=mc2。
 
爱因斯坦认为,在这个实验中,时间由机械钟控制测量,光子的能量可通过弹簧秤测量质量差得到,两者独立进行,互不干涉,理论上都可准确测量。以此来说明时间和能量不能同时准确测量的不确定性原理是不成立的,玻尔一派的观点不正确,量子力学不自洽。
 
爱因斯坦的光子盒实验,当场让玻尔哑口无言。但是只过了一个晚上,玻尔用爱因斯坦自己的广义相对论,指出了光子盒实验的缺陷。
 
玻尔指出:光子跑出后,挂在弹簧秤上的盒子质量变轻,即会上移,根据广义相对论,如果时钟重力方向发生位移,时钟的快慢会发生变化。这样一来,盒子里的机械钟读出的时间就会因为这个光子的跑出而发生改变。换言之,使用这种装置,如果要测定光子的能量,就不能精确控制光子逸出的时刻。
 
爱因斯坦被玻尔的回击惊得目瞪口呆,自此以后,便放弃了从不确定性原理这一方面来攻击量子力学的想法。“量子理论也许是自洽的,”他说,“但至少是不完备的。”
 
玻尔那晚也的确被爱因斯坦的“光子盒”问题扰得心神不安,日后多年他仍然一直耿耿于怀。据说,在玻尔1962年去世时,他工作室的黑板上还画着当年爱因斯坦的那个光子盒。
 
1933年第七届索尔维会议,爱因斯坦未能出席,因为他被纳粹赶出了欧洲,刚刚准备接受美国普林斯顿高等研究院的教授职位。没有爱因斯坦在场,德布罗意和薛定谔都不喜欢与人辩论,所以这一年的索尔维会议上,玻尔的哥本哈根学派唱了一场独角戏,一切安好。
 
终于在1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在《物理评论》(Physics Review)杂志上发表了他们共同署名的论文。爱因斯坦设想出著名的“EPR佯谬”(E、P、R分别代表论文的三位作者)。这算是他与玻尔一派论战的第三个回合。
 

 

爱因斯坦在论文中,第一次使用了一个超强武器,后来被薛定谔命名为“量子纠缠”。


▍背景简介:本文摘自公众号“光子盒”。

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