量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展.doc

量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展1、玻爾與愛因斯坦的論爭 在科學(xué)史上，曾經(jīng)發(fā)生過許多重大的學(xué)術(shù)論戰(zhàn)，愛因斯坦和玻爾之間的論戰(zhàn)可稱得上是最深入、最精辟、最有代表性的，同時也是最友好、最尊重對方、最能體現(xiàn)科學(xué)精神的一次論戰(zhàn)。論戰(zhàn)的直接問題是關(guān)于量子力學(xué)的物理詮釋，但其意義已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了量子力學(xué)的范圍，直接關(guān)系到認(rèn)識論的基本問題。因這場論戰(zhàn)受到了廣泛的重視，引起了持久的興趣。盡管爭論十分尖銳、十分激烈，但他們卻終保持著深厚、真摯的友誼。這是一場真正的學(xué)術(shù)論戰(zhàn)，是學(xué)術(shù)論戰(zhàn)的一個光輝典范。 1926年，維也納理論物理學(xué)家薛定諤發(fā)表了關(guān)物質(zhì)波的理論，證明物質(zhì)在原子水平上的行為可用波函數(shù)來描述。薛定諤的理論很優(yōu)美，容易理解并且完全協(xié)調(diào)一致。它的方程產(chǎn)生玻爾原子的量子化能級，但表現(xiàn)為振動著的物質(zhì)“波”的諧函數(shù)而不是跳躍的電子。此后薛定諤很快證明他的“波動力學(xué)”在數(shù)學(xué)上同“矩陣力學(xué)”等價的。薛定諤認(rèn)為：即使在原子量級上，經(jīng)典的連續(xù)過程和絕對的決定論照樣成立。而量子力學(xué)的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為：在微觀領(lǐng)域中，因存在著測量程序?qū)λ撌龅奈锢砹抠囈远x的條件影響，量子規(guī)律本質(zhì)上是統(tǒng)計性的，非決定論的，波函數(shù)的平方代表粒子在空間某點出現(xiàn)的概率。哥本哈根學(xué)派的代表人物就是N玻爾。 在夏季末，希望討論這個問題的海森堡出現(xiàn)在慕尼黑的一個薛定諤將要發(fā)言的討論會上，海森堡試圖指出薛定諤觀點中的問題并發(fā)表自己的見解。他回憶說：“顯然，我的觀點沒有對任何人發(fā)生影響，包括平時對我關(guān)懷備至的索末菲在內(nèi)，大家都被薛定諤數(shù)學(xué)的巨大成功征服了?！?海森堡在聽了薛定諤的報告后非常興奮，當(dāng)天晚上就給在哥本哈根的玻爾寫信。這封信觸動了玻爾，于是在9月11日玻爾寫信給薛定諤邀請他到哥本哈根來演講，薛定諤愉快地接受了邀請，開始了那次重要的哥本哈根之行。他于10月1日到達(dá)哥本哈根，10月4日為丹麥物理學(xué)會發(fā)表了題為波動力學(xué)的基礎(chǔ)的演講。在演講報告中，薛定諤提出了一個“哥本哈根觀點”相反的見解：“波函數(shù)本身代表一個實在的和物理的可觀測量?！毖Χㄖ@演講之后，玻爾和海森堡等人盡力克制自己，避免學(xué)術(shù)分歧造成感情上的不快，在講演后的歡宴上，他們極盡地主之誼，祝賀薛定諤演講成功。第二天下午風(fēng)暴來了，在此后的四天時間里，玻爾、海森堡便單刀直入和薛定諤較量，爭論集中在如何解釋量子理論方面。海森堡后來回憶說：“玻爾雖然是一個非常周到和有禮貌的人，但在討論到他認(rèn)為是極端重要的認(rèn)識論問題時，他能頑強地堅持己見，并以可怕的不留情面的態(tài)度要求所有論點具有完全明確性，甚至在若干小時的奮戰(zhàn)后，他也不讓步，直到薛定諤承認(rèn)了他的闡述是不充分的，并且不能解釋普朗克的法則，薛定諤所有想繞過這個苦澀結(jié)果的企圖都逐個在無限吃力的討論中慢慢被駁倒?！?薛定諤患了感冒并躺倒在床上，不幸的是他留在玻爾家中。玻爾繼續(xù)坐在床邊對他說：“薛定諤，不管怎樣你得承認(rèn)”薛定諤接近發(fā)火了，他說道：“假如人們必須繼續(xù)討論這些該死的量子躍遷，那么很遺憾我當(dāng)初搞了原子理論?！辈柨偸菍δ芨闱謇斫獾臓幷摳械礁吲d，他用稱贊使他的精疲力竭客人安靜下來：“但我們都感謝你搞了原子理論，因為你給原子物理的前進(jìn)帶來決定性的一步。” 玻爾和海森堡于是著手研究調(diào)和原子理論的雙重問題。海森堡堅持主張完全放棄模型而密切依靠數(shù)學(xué)，而玻爾認(rèn)為量子力學(xué)的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，不能作為對這個理論的物理意義進(jìn)行解釋的基礎(chǔ)，希望制定一個公式能使物質(zhì)和光可以同時作為粒子和波而存在；因而二人發(fā)生了不愉快的爭論。1927年2月末，海森堡說他們倆“完全精疲力竭并相當(dāng)緊張”。玻爾決定到挪威去滑雪。玻爾走后，海森堡獨自留在哥本哈根，開始了他那最富有成效的思索。海森堡想到在一個關(guān)于理論在科學(xué)工作中的價值的談話中愛因斯坦曾說過“正是理論決定我們能觀察到什么”。這項記憶使海森堡不能平靜，在3月初已過了午夜的一個很冷的夜晚，他走出研究所，來到法拉德公園的開闊的足球場，在這里進(jìn)行最佳的思考。他回憶道：“在星空下的這次散步使我有了一個明顯的想法，那就是必須假定只有在量子力學(xué)數(shù)學(xué)形式框架中能夠描述時，自然才允許實驗情況發(fā)生。”海森堡立即得到一個驚人的結(jié)論，即在原子的極端微小的尺度上，對事件能知道的準(zhǔn)確程度必然存在固有的極限，一項測量使另一項測量不準(zhǔn)確。海森堡回到屋里，開始把他的想法用數(shù)學(xué)表示出來，即位置和動量測出值不準(zhǔn)確度的乘積不能小于普朗克常數(shù)，這就是著名的“不確定原理（uncertainty Principle）”。這一原理意味著物理學(xué)中嚴(yán)格決定論的終結(jié)。因為假如原子事件本質(zhì)上是界線不清的，假如不能獲得關(guān)于個別粒子的位置在時空上全面的信息，那么對它們未來行為的預(yù)測只能是統(tǒng)計的。海森堡似乎忘了和玻爾爭吵的不快，把自己的想法簡要地寫在信上寄往在挪威的玻爾，在信的末尾，海森堡流露出“頭頭不在研究所里”的悵惘心情。 玻爾收到海森堡的信后，即刻從挪威動身，并帶回他自己的一個更宏大的概念，它的力量可以回溯到他最早關(guān)于二重性和不明確性。他也為海森堡的成就而興高采烈，但是又因為一些新的分歧而開始了新的爭論，因為海森堡沒有把不確定原理建立在粒子和波的二重性上。不論海森堡怎樣有才華，畢竟他才26歲，他還是讓步了，他同意不確定原理只是玻爾創(chuàng)立的一個更普遍概念的特例，爭論的結(jié)果是玻爾的“互補原理”最終形成。于是玻爾開始起草他那著名的科莫演講。1927年夏末，墨索里尼的法西斯政府在科莫召開了一次國際物理大會。科莫位于意大利北部湖區(qū)的峽灣形的科莫湖的西南端。很多人都去了那里，但愛因斯坦沒去，他拒絕把他的聲望送給法西斯主義。其他人去是因為量子論遇到圍攻，而玻爾則打算發(fā)言保衛(wèi)它。 在愉快的九月的科莫，玻爾作了關(guān)于量子假設(shè)與原子論的最新進(jìn)展的報告，開始了他那朦朧而又有深刻思想的演說。玻爾認(rèn)為：“我們在科學(xué)中使用的理想化概念都是來自日常生活的普遍經(jīng)驗，這些經(jīng)驗本身不能進(jìn)一步加以分析；因此，只要任何兩種理想化的概念表現(xiàn)不相容時，這只能意味著它們的有效性上增加了某種相互局限性。”玻爾繼續(xù)說道：“作為粒子的光和波的光，作為粒子的物質(zhì)和波的物質(zhì)，它們都是互相排斥的抽象物，但又彼此補充。它們不能合并和分解，它們只能在似乎是悖論和矛盾中并列?！彼o這個“普遍的觀點”取名為“互補性（Complemellorlty）” 然后，玻爾仔細(xì)地逐個考察了經(jīng)典物理學(xué)同量子物理學(xué)的矛盾，并且闡明“互補性”如何可以澄清它們。玻爾認(rèn)為：“解決的辦法就是承認(rèn)這兩種不同的并互相排斥的結(jié)果同樣有效，把它們并列在一起，建立一種原子領(lǐng)域的綜合圖景，只有整體性才能導(dǎo)致明確性?！辈栠M(jìn)一步認(rèn)識到：“在量子力學(xué)中，獨立于儀器的實在的概念是沒有意義的，這是因為在每一次測量中由于不可控制的作用量子的參與，測量過程中出現(xiàn)的每一時空事件都不可能有因果關(guān)系。所以，在涉及原子尺度時應(yīng)拋棄經(jīng)典物理學(xué)的神圣決定論，取而代之的是統(tǒng)計方法。” 17和18世紀(jì)時，天體力學(xué)獲得很大的成就，它使人深信預(yù)測明確的單值的可能性。皮埃爾拉普拉斯（Pierre Laplace，17491827）曾以科學(xué)能力的無限可能性引為驕傲：“只要你能給我所在粒子的坐標(biāo)和速度，我就能預(yù)言宇宙的未來?！崩绽沟倪@一夢想在原子量級范圍內(nèi)被玻爾否定了。在科莫有不少老物理學(xué)家不出所料地沒有被說服。愛因斯坦聽到玻爾的想法后也沒有轉(zhuǎn)變過來。1926年他曾就量子論的統(tǒng)計性質(zhì)給馬克斯玻恩（Max Born，18821970）寫信說：“量子力學(xué)需要嚴(yán)加注意，但是一個內(nèi)心的聲音告訴我這不是真正的上帝門徒。這個理論獲得不少成就，但并未使我們更接近造物主的秘密。不管怎樣，我相信他不玩擲骰子。” 在科莫會議的一個月后，即1927年10月下旬，在布魯塞爾召開了第五屆索爾維會議，愛因斯坦和玻爾都出席了，此外還有普朗克、居里夫人、玻恩、厄倫菲斯特、洛倫茲、薛定諤、泡利、海森堡以及其他一些人。海森堡回憶道：“我們?nèi)≡谝粋€旅館里，發(fā)生了尖銳的爭論，不是在會議廳內(nèi)，而是在旅館的餐桌上?！睈垡蛩固咕芙^接受在原子水平上不能有決定論，以及宇宙的精微結(jié)構(gòu)是不可知的，只存在統(tǒng)計方法的想法。海森堡寫道：“他直截了當(dāng)?shù)鼐芙^接受不確定原理，并且試圖想出一些使這一原理不能維持的情況?！睈垡蛩固钩Ｊ窃谠绮蜁r提出一個挑戰(zhàn)性的思維實驗，辯論就會整天進(jìn)行下去，“但是，通常到晚飯的時候，我們會來到一起，那時尼爾斯玻爾能駁回愛因斯坦的證明，甚至他最新的實驗也不能動搖不確定原理。愛因斯坦似乎有點惱火，但第二天早晨他又有一個新的假想實驗，比上一個還要復(fù)雜?！边@樣繼續(xù)了好幾天，直到愛因斯坦的老朋友埃倫菲斯特斥責(zé)說：愛因斯坦反駁量子論，正像他的對手反駁相對論同樣都是無理的。但愛因斯坦繼續(xù)不動搖。 1929年，玻爾在自然科學(xué)周刊獻(xiàn)給普朗克的專號上，寫了一篇題為作用量子和自然的描述的文章，在文中，他從三個不同的方面把他的方法與愛因斯坦的相對論作比較，希望以此來改變愛因斯坦的觀點。愛因斯坦看到玻爾的文章后很受啟發(fā)。使他想到，為什么不拿出自己的看家本領(lǐng)，用相對論來反駁玻爾？于是也作了充分的準(zhǔn)備。1930年秋天，第六屆索爾維會議開幕了，各國的科學(xué)家懷著激動的心情，等待著兩位巨人之間新的一輪論戰(zhàn)。這次愛因斯坦經(jīng)過三年的深思熟慮，襪馬厲刀，顯得胸有成竹。他沉著地走向黑板，畫出一幅草圖。這就是著名的“愛因斯坦光盒”實驗，一場新的論戰(zhàn)就這樣戲劇性的開始了。顯然，玻爾遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，他感到十分震驚，束手無策。他那睿智的目光變得異常呆板，他在會場上走來走去，并喃喃說道：“如果愛因斯坦正確，那么物理學(xué)就完了?！?當(dāng)天晚上，玻爾和他的同事們根本未想到睡覺。玻爾堅信愛因斯坦是錯的，但關(guān)鍵是要找出愛因斯坦究竟錯在哪里。他們檢查了愛因斯坦光盒實驗的每一個細(xì)節(jié)，奮戰(zhàn)了一個通霄，終于找到了反駁愛因斯坦的辦法。第二天上午會議又開始了，玻爾喜氣洋洋地走向黑板，也畫了一幅與“愛因斯坦光盒”非常類似的草圖，他巧妙的利用愛因斯坦的廣義相對論，經(jīng)過嚴(yán)密的邏輯推理和簡潔的數(shù)學(xué)證明，再度重現(xiàn)不確定原理，這是愛因斯坦萬萬沒有料到的。玻爾“以其人之道還治其人之身”的方法，使愛因斯坦明智地意識到：在量子力學(xué)的形式體系范圍內(nèi)是駁不倒不確定原理的。他不再懷疑不確定原理，但仍對玻爾所理解的量子力學(xué)統(tǒng)計解釋持否定態(tài)度，因為量子理論本身并不能證明概率特性就是微觀粒子自身的屬性。所以，他雖然放棄了對量子理論內(nèi)部邏輯自洽性的詰難，但卻把進(jìn)攻的方向轉(zhuǎn)到了量子理論的完備性上來，從而使論戰(zhàn)達(dá)到了頂峰，并釀成了一場震憾現(xiàn)代物理學(xué)的巨大風(fēng)暴。 1935年5月，愛因斯坦、玻道耳斯基（BPodolsky）、羅森（NRosen）合寫了一篇題為能認(rèn)為量子力學(xué)對物理世界的描述是完備的嗎？的論文。這篇論文，不但在物理學(xué)上而且在哲學(xué)上都達(dá)到了一個新的高度，并對量子力學(xué)提出了最深刻的詰難，因而人們以三個科學(xué)家姓氏的第一個字母將其命名為“EPR停論”。EPR認(rèn)為：自然界是一個實在，它存在于人類意識之外，我們可以通過觀察、實驗認(rèn)識它的規(guī)律，并且這個規(guī)律與我們無關(guān)，僅僅屬于這外存的實在。雖然由于儀器的影響會出現(xiàn)實驗誤差，但因為客觀存在的性質(zhì)是獨立的，不依賴我們的，所以我們最終能排除儀器的偏差而了解客體的真正性質(zhì)。并認(rèn)為，任何一個完備的理論都必須包含這樣兩個前提： （1）實在性：現(xiàn)象的規(guī)律性是由某種獨立于人類觀察者之外而存在的物理客體所引起的。 （2）定域性：即物體在空間的分離性。物理實體在空間可以彼此徹底不相關(guān)地存在，其理由是在我們的宇宙中沒有任何一類作用能比光速快。 接著，EPR提出了一個M體系統(tǒng)的理想實驗：對于一個由A和B組成的M體系統(tǒng)，按照量子力學(xué)的觀點，此二體的“動量之和”與“位置之差”是可以同時測準(zhǔn)的。比如，考慮兩個粒子構(gòu)成的系統(tǒng)，兩個粒子的動量和位置差在某方向的分量具有確定的值：與。測量一個粒子的動量，可以準(zhǔn)確地推知另一粒子的動量；測量一個粒子的位置，也可以準(zhǔn)確地推知另一粒子的位置。現(xiàn)在考慮這兩個粒子在散射以后已彼此離得很遠(yuǎn)。根據(jù)定域性原理，可以認(rèn)為對一個粒子所作的測量不會對另一個粒子產(chǎn)生任何影響。EPR認(rèn)為，如果人們可以不對某物體產(chǎn)生干擾而能推知其某個物理量的準(zhǔn)確性，那么，對應(yīng)于該物理量應(yīng)當(dāng)存在一個物理實在。現(xiàn)在來對粒子A測量動量，設(shè)測量值為，由此可以推知粒子B的動量為，顯然對A的測量過程沒有對B產(chǎn)生任何干擾。同時對A的位置測量，也可推知B的位置。從這個假想實驗可以看出，B應(yīng)當(dāng)同時具有準(zhǔn)確的動量和準(zhǔn)確的位置。就是說，動量和位置應(yīng)當(dāng)同時是粒子B的物理實在。而量子力學(xué)的不確定原理否定存在同時測準(zhǔn)它們的方法。因此，愛因斯坦、玻道耳斯基和羅森認(rèn)為量子力學(xué)是不完備的。 1935年10月 15日，玻爾以同樣的標(biāo)題在同一家雜志發(fā)表了一篇文章，對EPR的詰難提出反駁。玻爾認(rèn)為，雖然在測量階段對所研究的系統(tǒng)并無干擾可言，但對確定系統(tǒng)將來行為的可能方式的條件是有重要影響的，而這種條件對于描述確定的“物理實在”的現(xiàn)象是必不可少的；或者說，既然兩個局部體系A(chǔ)和B形成一個用統(tǒng)一波函數(shù)描述的總體系，就沒有理由說分別加以考察的A和B是互不相干的獨立存在。玻爾認(rèn)為：在微觀領(lǐng)域內(nèi)，本質(zhì)上存在著測量程序?qū)λ撌龅奈锢砹抠囈远x的條件的影響。我們平常所說的“物理現(xiàn)象”是包含了我們自身在內(nèi)的，我們必須考慮認(rèn)識主體。量子現(xiàn)象是一種整體性的概念，只有在完成測量以后，才能稱得上是一個現(xiàn)象。純粹地屬于外在世界的性質(zhì)、規(guī)律在量子力學(xué)中是不存在的。這場論戰(zhàn)的結(jié)果未分勝負(fù)，玻爾堅持完備性，其理論中就必須包含有超距關(guān)聯(lián)，愛因斯坦堅持定域的實在論，因而他懷疑量子力學(xué)的完備性。 關(guān)于量子力學(xué)的評價與解釋問題的意見分歧，不僅發(fā)生在愛因斯坦與玻爾之間，事實上量子力學(xué)本質(zhì)上的統(tǒng)計特征以及正統(tǒng)解釋回避量子力學(xué)本體論問題，一直使許多物理學(xué)家感到困惑和不滿。20世紀(jì)50年代，玻姆（DBohm）等人普遍認(rèn)為：自然中應(yīng)該存在某種潛在東西或潛在過程的實在性。因此，他們主張更加深入地追求這種類空間關(guān)聯(lián)的物理背景，從而形成了一種既隱含愛因斯坦的實在論，又與量子力學(xué)相容的更完備的理論，即所謂“定域性的隱參量理論”?！半[參量”是用以代表尚未為人知曉的一些“超微觀”量，一個系統(tǒng)的各客體可以在“超微觀”水平上不同，相應(yīng)的隱參量可以有不同的值。對于單個客體，其隱參量應(yīng)當(dāng)具有確定的值，測出的物理量也應(yīng)是確定的。正是不同客體可以有不同的確定值，才導(dǎo)致了量子測量的統(tǒng)計性。這樣，就把波函數(shù)描述的統(tǒng)計性質(zhì)歸之于人們對隱參量未能確切知曉。然而，一旦人們的認(rèn)識進(jìn)入了超