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回顧量子百年（第三節(jié)）：玻愛世紀之爭

發(fā)布時間：2023-04-18 15:21:56  信息來源：  閱讀次數(shù)： 7719 次

玻爾和愛因斯坦是好朋友，兩人都是量子力學的開創(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獎。



玻愛之爭的雙方人馬旗鼓相當。玻爾的哥本哈根學派在人數(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)典力學中的三個假設——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，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，隨機性就不復存在了。
 
然而，哥本哈根學派認為，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，當快門關閉后，再測量一次質(zhì)量。設盒子所減少的質(zhì)量為m，光子的能量即E=mc2。
 
愛因斯坦認為，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，理論上都可準確測量。以此來說明時間和能量不能同時準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，量子力學不自洽。
 
愛因斯坦的光子盒實驗，當場讓玻爾啞口無言。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擊驚得目瞪口呆，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的想法?！傲孔永碚撘苍S是自洽的，”他說，“但至少是不完備的?！?/span>
 
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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