Sunday, December 25, 2011

宇宙的精灵 #13.2




192710月,秋高气爽的布鲁塞尔,,空气也为之激动得发颤——第五届索尔维物理会议在这里召开,29名世界物理学大腕汇聚于此。他们在会址的酒店前拍了一张合照,被称为物理学史上含金量最高的全明星照。(图13.1)老一辈物理大师——洛伦兹和居里夫人,量子革命的首义英雄——普朗克、爱因斯坦和波尔,量子革命新军领袖——如海森堡、泡利、狄拉克、薛定谔、德布罗意和玻恩,……,三代同堂,几乎全部都是诺奖得主或准得主。而且这样的合影还具有不可重复性,因为下一届,洛伦兹(去世)就不可能出现了,再下一届,爱因斯坦(逃难)和居里夫人(去世)也不可能出现了。在那个令人神往的物理学英雄时代,这也许是集中度最高的一次英雄会。

这个会议总让我联想到美国1787年的费城制宪会议,量子共和国的宪章——哥本哈根诠释,在这里接受物理共同体的批判并寻求通过。这次会议注定精彩异常,还因为物理学界已经积蓄了太久的能量。头二届会议还是量子力学的首义期,草创的量子理论虽惊世骇俗但深度有限。1921年的第三届和1924年的第四届由于不邀请以德国为首的轴心国科学家的参加,爱因斯坦也以拒绝出席以抗议科学界的国籍歧视,因此只能有轻飘飘的分量,就像中国“文革”期间的工农兵大学生制度。这次不同了,会议向所有国家开放,就如中国1977年恢复高考出现的十年精英一朝同上考场的空前绝后的盛况。

会议为期六天,主题是“光子和电子”,会议召开时的态势是,哥本哈根诠释的诞生已经使物理学界分成了泾渭分明的两大阵营,一是同意这个诠释的激进的现代派,一是反对这个诠释的保守的经典派。在此之前两派已有以书信和论文的形式隔山打牛超距发功,这次碰在一起,一场近距离的肉博是势所难免。经典派排出了豪华阵容——先锋德布罗意(35岁)和薛定谔(40岁),中军爱因斯坦(48岁),后援洛伦兹(74岁)和普朗克(69岁);现代派派出了梦之队——先锋泡利(27岁)和海森堡(26岁),中军波尔(42岁),后援玻恩(45岁)和狄拉克(25岁)。双方各具特色各有优势,经典派年龄偏大但经验老道位高权重,现代派年轻气盛精力充沛心灵手巧。

自第一届开始索尔维会议就由洛伦兹主持,第五届依然是他主持但也是最后一次,几个月之后洛伦兹就逝世了。会前洛伦兹原委托爱因斯坦作开场的物理学发展形势报告,后者先是接受后来又反悔了。他在给洛伦兹的信中解释到:“我断定我没有能力报告当前的形势,这部分是由于我不赞同新理论的纯统计的思路。”因此开场报告改由波尔来作。他观点鲜明地指出,确定性和严格的因果性在亚原子层次并不存在,没有什么决定论的定律,只有概率和偶然性,脱离观察和测量谈论“实在性”是没有意义的,根据所选择的实验类型,光可以是波或粒。在这条论纲的统摄下,关于波动的量子力学和关于粒子的量子力学可以而且必须统一在一个完整的逻辑自洽的量子力学体系之内,二者是互补的。接着洛伦兹鸣锣宣布开战。

豪华队法国王子德布罗意首先拍马杀出,直捣不确定性理论的命门。他在会上抛出了一个“双重解理论”,还是他那同时既是波又是粒的思路,认为微观粒子质量集中在一个区域,具有确切的位置,因此具有粒子性,同时粒子又必须服从波动方程所表示的波动性。因此我们可以用一个波动方程的两个解来描述一个粒子,一个是波动的寻常解,一个是体现粒子性的奇异解,一切都由严密的方程式严格确定的,不确定性让它见鬼去吧。这个理论也被称为“导波理论”,因为在这个世界中,物质波裹挟着粒子运动,像导盲犬一样引导粒子前进。梦之队派出快枪手泡利应战。泡利眼急手快,一柄长枪把王子的破绽一一挑出,无情地逐条痛打。泡利尖刻地指出,按照德布罗意的理论,连普朗克的公式都得不出来,这样的倒退也太离谱啦。王子环顾四周,薛定谔言词闪烁模棱两可,洛伦兹表示未有研究无力相助,爱因斯坦只是暗暗发功相助但不出手。面对泡利的犀利攻击,王子只好挂出免战牌,自认剑法不精,待修炼好后来日再战。

薛公子一看势头不对,忙挺起ψ戟接阵,向波函数概率解释阵门杀去。薛定谔在会上作了“波动理论”的专题报告,他说:“空间中确有某种东西存在,它连续地充满着整个空间,人们可以获得它的瞬间‘照片’。……换言之,真实系统是经典系统以ψψ*为权重函数在所有可能状态的一个复合像。”这样的表述与波函数概率并无二致,分歧是哲学层面的。薛定谔认为波函数是一种真实的存在,我们观察到的微观粒子是这个实体的现象或“照片”。而按哥本哈根诠释,波函数既然无法观察,它就不是一种真实的存在,真实的存在只能是我们观察到的波函数坍缩也就是薛定谔说的“照片”。梦之队海森堡听得薛公子叫阵,抡起矩阵锤奋勇迎敌,玻恩也扬起概率戟上前助攻,一时间杀得天昏地暗。洛伦兹很欣赏小薛回归经典的良好动机,但他理论的技术破绽却是令洛老难以苟同。德布罗意不满于薛公子抽掉物质波的物质,故也无心相帮。几回合下来豪华队颓势尽显,只好鸣金收兵。爱因斯坦依然按兵不动。

当海森堡和玻恩得意洋洋宣布最终胜利,发出“我们把量子力学看成一种完备的理论,它的基本物理假说和数学假说已经不再有修改的余地了”这种泡话时,爱因斯坦再也按捺不住了。他用上帝的骰子幽了哥本哈根诠释一默,说波尔他们告诉我们一个掷骰子的上帝,所以他们只能用一大堆“也许”来构造量子力学理论,这样的理论,即使在经验上和逻辑上很正确,归根结底它还是错误的。而波尔则反唇相讥:爱因斯坦,麻烦你不要老教上帝该做什么。好!物理学最重量级的PK终于开始了,会场中每个人像是同时吸食了兴奋剂,情绪一下子都高涨了起来,纷纷举手要求发言参战,会场秩序一时大乱。会议主席洛老七十多岁人了,哪经得起这样折腾呐,埃伦费斯特急中生智就在黑板上写下一行字:“上帝终于变乱了人们的语言”。典故大家都知道——上帝为阻止人类的通天塔工程而变乱了工地民工的语言,于是会心地哄堂大笑,会议在亲切友好的气氛中继续进行。

海森堡回忆说:“讨论很快就集中到爱因斯坦和波尔就目前原子论能否被视为最终的解答的决斗上来”。我们知道,爱因斯坦到瑞士后,为考大学在阿劳中学补习过一年。这所学校特别重视“对概念的视觉理解”。正是这一教学特色,让爱因斯坦受益终身,是物理界公认的“思想实验”大师。他的狭义相对论的火车,广义相对论的升降机,是我们现在学相对论依然需要的意像。这次他又使用了这套幻影大法来对付方兴未艾的哥本哈根诠释,一个接一个地抛出他睿智的思想实验。他会在早餐会上提出一个思想实验,然后海森堡和泡利貌似轻松地互相鼓励:“会好的,会好的”,波尔则“忧心忡忡,暗自抓狂”。到了晚餐会,哥派就会找到破解的办法,第二天早晨波尔就在弟兄们的声援下底气十足地提出他的反驳,直至对方哑口无言。然后爱因斯坦又提出一个新的,前面的过程又重复一遍。正如埃仑费斯特在给他那些留守在莱登的乌仑贝特和古德施密特这些弟子们的信中的描述:“爱因斯坦像一个弹簧玩偶,每天早上都带着新的主意从盒子里弹出来,而玻尔则从云雾缭绕的哲学中找到工具,把对方所有的论据都一一碾碎。”

最后的效果是,哥本哈根诠释非但没有因为质疑而逊色一丝一毫,相反由于经受了严峻考验而鼓舞了哥派人物并征服了犹豫不决者。一个科学新范式的确立,实验和理论两个方面的严峻考验都是必需的程序,在这一点上,爱因斯坦之于哥本哈根诠释功不可没。

哥派干将海森堡在会后的家书里说到:“我对科学结果的每一方面都很满意,波尔的和我的观点已被普遍接受;至少没人再提出认真的反对意见,就连爱因斯坦和薛定谔也没提出。”

埃伦费斯特是爱因斯坦的铁哥们,也忍不住当面数落:“爱因斯坦,我真为你感到害羞。你现在对波尔的看法就像当初绝对同时性的拥护者们对你的看法一样。”所谓“绝对同时性的拥护者”,也就是狭义相对论的反对者。

不过我觉得海森堡还是过于乐观了,爱因斯坦和薛定谔都没有真正被驳倒,他们气数未尽狠招还在后头。比如爱因斯坦在这次会议上提出的其中两个实验——

第一个,一束电子穿过屏幕的小孔打在后面的照相底片上,从而准确地记录下了能量和动量,通过灵巧的小孔开关,同时测准电子的时间和位置。

第二个,电子在底片上坍缩为一个确定的点时,意味着其他点的电子概率为0,在这一瞬间,其他点的电子如何会知道不坍缩?如果有通知,这个信号的传递速度将超过光速,违反相对论;如果没有通知,它们之间如何协调行动?

据说波尔的反驳已经找不到当时的记录,但至少我知道,这二个实验以后都以新的形式再现,第一个精致化为“光盒佯谬”,第二个发展为“EPR佯谬”,每一次都给波尔造成了不小的震撼。至于薛定谔,受爱因斯坦传染,后来也抛出了一个思想实验。这些我在后面还会说到。

但至少在观众的眼里,这次物理界的奥运会,梦之队大获全胜,豪华队全面落败。这场竞技的效果,使现代派的哥本哈根诠释得到更广泛的认同,正统地位至少也算是初步确立。

爱因斯坦一直是德布罗意的偶像,这次索尔维会议上终于如愿以偿地拜谒到了。爱因斯坦与德布罗意也是神交已久,从德布罗意波“揭开了大幕的一角”开始,这次见面更是由衷地欢喜。俩人相谈甚欢,依依不舍。正好爱因斯坦要去法国参加菲涅耳逝世一百周年的纪念会,俩人可以同车到达巴黎。当年正是这位31岁的法国青年菲涅耳提出的横波理论,才使从扬开始倡导的光的波动说被科学界广为接受。现在眼前这个35岁的法国青年的“双重解理论”,能否成为经典实在性和决定论的一根救命稻草呢?在巴黎火车站分手的时候,萧瑟的秋风从站台上掠过,向人们预告冬的寒意,他们在站台上就“双重解理论”作了最后的交谈,临别时爱因斯坦颤魏魏地握着德布罗意的手,殷殷地鼓励:“坚持下去,你的方向是正确的!”

岂料计划没有变化快,转眼到了1928年,形势的发展是如此的迅速,哥本哈根诠释好像是在一夜之间就成为了科学界的共识;而德布罗意的“双重解理论”研究却没有什么进展,他不得不放弃自己的立场,宣布皈依哥本哈根诠释。

看来爱因斯坦只有孤独求败了。



图P13.1 第五次索尔维会议全明星照(从左到右)

第一排:朗缪尔、普朗克、居里夫人、洛仑兹、爱因斯坦、朗之万、古耶、威尔逊、里查森

第二排:德拜、努森、布拉格、克雷默、狄拉克、康普顿、德布罗意、波恩、玻尔

第三排:皮卡尔德、亨里奥特、埃伦费斯特、赫尔岑、顿德尔、薛定谔、维夏菲尔特、泡利、海森堡、福勒、布里渊




No comments:

Post a Comment