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爱因斯坦的量子世界

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爱因斯坦的量子世界

雪花又一年 2018-05-04 13:46:00 浏览44 评论0

摘要: 很多人都知道爱因斯坦有句名言叫做:“上帝掷骰子吗?”这个问题是针对量子力学的测不准原理提出的,具体来承担这个问题之矛的人就是玻尔。而玻尔的反驳则是:“不要告诉上帝该怎么做!”对于这两位世界级的物理学家,光是耍贫嘴可不能说服众人,在他们之间上演了一波三折的论战。

很多人都知道爱因斯坦有句名言叫做:“上帝掷骰子吗?”这个问题是针对量子力学的测不准原理提出的,具体来承担这个问题之矛的人就是玻尔。而玻尔的反驳则是:“不要告诉上帝该怎么做!”对于这两位世界级的物理学家,光是耍贫嘴可不能说服众人,在他们之间上演了一波三折的论战。这场论战本质上是爱因斯坦的相对论跟玻尔的量子力学之间的对抗,现在看来,两种理论其实并非针锋相对,而是相辅相成的。


量子物理从布朗克解决黑体辐射开始,经历了一段颇为戏剧化的发展。跟基础物理可以用眼睛看到用仪器观测到的现象不同,关于量子,一开始仿佛就打上了幽灵的标签。尤其是是海森堡测不准原理,指出了量子的不稳定性。玻尔站在海森堡身后大张旗鼓,而爱因斯坦则深信,物理学规律是关于存在的规律,不可能只是一些可能性。可以说,这场关于相对论和量子力学的论战有一定的必然性。


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爱因斯坦

1927年第五届索尔维会议,两个人开始第一回合交锋。这场会议,物理界基本上能叫出名字的人物聚集一堂,会议由电子论的创立者洛伦兹担任,德布罗意和薛定谔先后发言,然后海森堡和玻尔在他们基础上继续发展,指出量子力学是一个完备的理论,它的基本的物理和数学假设是不容许加以进一步修改的。玻尔尤其强调了互补原理和对量子力学。之后,与会人员开始对此进行讨论。但爱因斯坦始终保持沉默,并不参与其中。一直到最后,玻尔点名请求爱因斯坦对此发表意见。爱因斯坦站起来表示赞同量子力学的系统几率解释,而不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论的观点。爱因斯坦的地位是不容置疑的,他的反对从某种程度上来说,可以代表一般物理学的反对。


玻尔跟爱因斯坦的争论从此正式打响。

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爱因斯坦和玻尔

一开始,玻尔十分想把爱因斯坦吸引过来,他不断地赞扬爱因斯坦对物理学的贡献,是他第一个自觉地突破了经典物理学的框架,提出了相对论和光量子理论;是他在1905 年第一次提出了光的波粒二象性的重要思想;是他把几率概念引进了对辐射问题的解释之中。玻尔最后的落脚点是希望他能接受更新的量子力学观点,把理论向前推进一步。


爱因斯坦非但不为所动,并且开始主动出击,希望能用实验来说话,这是反击的最好证据。但是在当时的情况下,制造实验所需的工具和观测显然不切实际,爱因斯坦则另辟蹊径,使用一系列思想实验来对此进行反驳。


根据当事者之一海森堡的回忆,那段时间,爱因斯坦总是在吹早饭的时候告诉玻尔他于前一天夜里想到的思想实验,以此来否定测不准原理,而玻尔则跟他的小伙伴们用一天的时间来解决爱因斯坦抛来的问题,在吃晚餐的时候予以回击。这段时间,爱因斯坦提出了让电子通过单狭缝衍射的实验和一个双缝干涉实验,但是都被玻尔一一化解。事实证明,爱因斯坦提出那些实验反而从另一方面验证了测不准的原理。因为爱因斯坦的持续失败,让本来站在他这边的德布罗意转到了玻尔的阵营。

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索尔维会议合影:

第三排:奥古斯特·皮卡尔德、E. Henriot、保罗·埃伦费斯特、Ed. Herzen、Théophile de Donder、欧文·薛定谔、E. Verschaffelt、沃尔夫冈·泡利、沃纳·海森堡、R.H.福勒、里昂·布里渊,

第二排:彼得·德拜、马丁·努森、威廉·劳伦斯·布拉格、Hendrik Anthony Kramers、保罗·狄拉克、亚瑟·康普顿、路易·德布罗意、马克斯·波恩、尼尔斯·玻尔,

第一排:欧文·朗缪尔、马克斯·普朗克、玛丽·居里、亨得里克·洛仑兹、阿尔伯特·爱因斯坦、保罗·朗之万、Ch. E. Guye、C.T.R.威尔逊、O.W.里查森

两个人交锋的第一回合,以爱因斯坦的失败告终。


如果说第一回合,两个人还只是在学术上的往来,接下来玻尔做的一件事彻底激怒了爱因斯坦。


1929年,《自然科学》周刊组织了普朗克专号,玻尔发表了一篇名为《作用量子和自然的描述》的文章,从三个不同的方面,把他的方法与爱因斯坦的相对论作了比较,希望借此来改变爱因斯坦的观点。玻尔指出,测不准关系的限制保证了量子力学逻辑无矛盾性,也如同信号不能超越光速传递来保证相对论的逻辑无矛盾性一样。


1930年秋天,第六届索尔维会议如期召开,此次会议的主席换成了朗之万。会议的主题是“物质的磁性”,但是人们显然把目光都放在了爱因斯坦和玻尔关于量子力学的论战上。


这次,爱因斯坦经过三年的准备,一开始便先发制人。这次他使用的武器仍然是他所擅长的思想实验,而且加上了他更加擅长的相对论来保驾护航。爱因斯坦提出了著名的“光子箱”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。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,然后向玻尔等人宣布了自己的实验原理,得出放出一个粒子准确的时间和能量都能准确测得的结论。这与海森堡的不确定性原理完全相悖,准确性和因果性获得了完整的表达。

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光子箱实验构想图

这一回,玻尔遇到了严重挑战。他听到这个实验时,多年来的物理素养便感到了十分抗拒的反馈,他知道自己无法挑出这个实验的漏洞、找出这个问题的答案。看起来,爱因斯坦仿佛已经被胜利的曙光照耀。当天夜里,玻尔和他的同事们一夜没合眼。玻尔坚信测不准原理正确无误,但爱因斯坦的破绽却不是那么容易就能找到的,否则他就不叫爱因斯坦了。他们逐一检查了爱因斯坦实验的每一个步骤,通宵奋战,最终找出了反驳爱因斯坦的办法。


玻尔指出:好,一个光子跑了,箱子轻了△m。我们怎么测量这个△m 呢?用一个弹簧称,设置一个零点,然后看箱子位移了多少。假设位移为△q 吧,这样箱子就在引力场中移动了△q 的距离,但根据广义相对论的红移效应,这样的话时间的快慢也要随之改变相应的△T。可以根据公式计算出:△T>h/△mc^2。再代以质能公式△E=△mc^2,则得到最终的结果,这结果是如此眼熟:△T△E>h,正是海森堡测不准关系!



我们可以不理会数学推导,关键是爱因斯坦忽略了广义相对论的红移效应!引力场可以使原子频率变低,也就是红移,等效于时间变慢。当我们测量一个很准确的△m 时,我们在很大程度上改变了箱子里的时钟,造成了一个很大的不确定的△T。也就是说,在爱因斯坦的装置里,假如我们准确地测量△m,或者△E 时,我们就根本没法控制光子逃出的时间T!


第二天上午,玻尔也画了一幅“光子箱”思想实验的草图,利用实验本身进行反击。爱因斯坦“光子箱”实验利用的是狭义相对论,但玻尔却用爱因斯坦创立的广义相对论进行了有效的反击,给出了运用广义相对论原理的数学证明。这次爱因斯坦彻底傻眼了,这简直是搬起石头砸了自己的脚。

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玻尔


第三回合的较量于1935年到来,爱因斯坦、波道尔斯基和罗森三人联名发表了EPR 文章,从量子理论的完备性上来进行反击。已经赢了两轮的波尔欣然迎战,这次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。这次争论诞生了著名的EPR佯论。


爱因斯坦和玻尔分别于1955年和1962年先后去世,但是这场涉及物理学及科学哲学的大论战仍在继续。这场论战并没有谁输谁赢这么简单的定义,而是推动了相对论和量子力学两大学术领域的共同发展。这场论战不仅有其存在的必然性,更有其存在的必要性!


原文发布时间为:2016-03-17
本文作者:罗恩·考恩
本文来源:量子趣谈,如需转载请联系原作者。

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