中醫(yī)學子:科學史上世紀辯論玻爾巧斗愛因斯坦

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從 20 年代后期開始，量子力學的物理詮釋以及相與俱來的科學哲學問題，引起了一場史無前例的學術大論戰(zhàn)。這場思想上的“世界大戰(zhàn)”，已經(jīng) 持續(xù)了 70 年，至今仍毫無平息的跡象。這場深刻的科學和哲學問題爭論，是科學發(fā)展史上的重大事件，而本世紀兩位最偉大的科學巨人——愛因斯坦和玻爾之間的激烈交鋒，則是其中最主要的和最有代表性的部分。

　　1927 年 10 月在布魯塞爾召開了第五屆索爾威會議。會議的議題是“電子與光子”，企圖解決“經(jīng)典理論與量子理論之間的矛盾”。包括愛因斯坦、玻爾、薛定諤、玻恩、德布羅意、海森堡、洛倫茲、康普頓等在內(nèi)的世界最著名的科學家出席了這次會議。

　　在會上，玻爾首先作了發(fā)言，闡述互補原理和對量子力學的詮釋。由于愛因斯坦一直對量子力學的統(tǒng)計解釋感到不滿，他曾在半年多以前（1926 年12 月 4 日)寫信給玻恩道：“量子力學固然是堂皇的�？墒怯幸环N內(nèi)在的聲音告訴我，它還不是那真實的東西。這理論說得很多，但是一點也沒有真正使我們更接近這個‘惡魔’的秘密。我無論如何深信上帝不是在擲骰子�！� 所以人們都急切地期待著愛因斯坦對玻爾觀點的反應。本世紀兩位最偉大的科學巨人之間一場達幾十年之久的爭論即將拉開序幕。

第五屆索爾威會議開得異常熱烈，在德布羅意、薛定諤發(fā)言后，玻恩和海森堡認為量子力學是一個完備的論；它的基本的物理和數(shù)學假設是不容許加以進一步修改的。這無疑是對不同的觀點提出挑戰(zhàn)。后來，會議主席洛倫茲要求玻爾發(fā)言，談談他的看法。玻爾重復了互補原理和對量子力學的詮釋。會議開始討論玻爾的觀點。由于愛因斯坦仍保持沉默，玻恩急切想聽到愛因斯坦的意見，就站了起來，點名請愛因斯坦發(fā)表看法。直到這時，愛因斯坦才起來發(fā)言，表示贊同量子力學的系統(tǒng)幾率解釋，而下贊成把量子力學看成是單個過程的完備理論的觀點。在當時的與會者大多數(shù)都贊成量子力學的幾率解釋的情況下，愛因斯坦的發(fā)言無異是向水中拋下了一塊巨石，立即掀起了層層波浪。整個會場沸騰了，十多位科學家一邊用好幾種語言叫嚷著要求發(fā)言，一邊迫不及待地和周圍的科學家交換意見。會場一片嘈雜，盡管會議主席洛倫茲用手拍著桌子叫大家安靜下來，但無濟于事。于是埃倫菲斯特跑到講臺前，在黑板上寫下了圣經(jīng)上的一句名言：“上帝真的使人們的語言混雜起來了！”這句話指的是混雜的語言妨礙了建筑巴比倫塔的典故。正在混戰(zhàn)的物理學家們望了望黑板，突然意識到了這個典故是指他們時，不禁哄堂大笑。洛倫茲于是宣布，會議從晚間起改成小組討論。

　　無論是玻爾還是愛因斯坦，在會前就預感到他們之間必然會發(fā)生一場爭論。雙方都作了充分的準備。在會上，雖然兩人都非常尊重自己的對手，盡量采用一些客氣的語句和彬彬有禮的態(tài)度，但是，兩人一正面交鋒，就火藥味十足，充分暴露出問題的尖銳性。

　　在討論中，玻爾極力想把愛因斯坦爭取過來。他盡量提醒愛因斯坦：難道不正是你第一個自覺地突破了經(jīng)典物理學的框架，提出了相對論和光量子理論嗎？難道不正是你在 1905 年第一次提出了光的波粒二象性思想嗎？難道不正是你把幾率概念引進了對輻射問題的解釋之中嗎？難道不正是你??？最后，難道在現(xiàn)代物理學中奠定了這樣基礎的人不應當在這種基礎上接受更新的量子力學觀點，把理論更向前推進一步嗎？
　　
　　但是愛因斯坦根本不聽這一套，他堅信“有一個離開知覺主體而獨立的外在世界，是一切自然科學的基礎。”因此，他對測不準關系和量子力學的幾率解釋極為不滿，認為這是由于量子力學主要的描述方式不完備所造成的，從而限制了我們對客觀世界的完備認識，因此只能得出不確定的結果。他采取的策略是試用一個思想實驗來駁倒測不準關系，從而揭示出量子力學統(tǒng)計解釋內(nèi)在邏輯上的矛盾。因為他知道互補原理的哲學味太濃，一下難以否定，但與它等價的測不準關系是一數(shù)學表達式，既然海森堡是用思想實驗來說明這個關系式的，何不也用一個思想實驗來反駁呢？

　　首先，他設計了一個讓電子通過單狹縫衍射的實驗，認為這個實驗有可能提供一個精確的時空標示，同時又能提供對此過程中能量和動量交換平衡的詳細說明。但是，玻爾很快指出，他不能避免在測量時儀器對電子不可控制的相互作用，即電子與狹縫邊緣的相互作用，并認為必須考慮儀器自身的不確定性，這對于分析思想實驗問題是十分重要的。后來，玻爾和羅森菲爾德把這一方法應用到分析場的可測性問題，從而確定了量子場論的無矛盾條件。

　　愛因斯坦看單狹縫不能難倒玻爾，第二天又想出了一個類似當年托馬斯·揚所做的雙狹縫干涉實驗。玻爾面對愛因斯坦的難題，毫不退縮，經(jīng)過仔細思考，就勢畫了一個可操作的思想實驗示意圖，通過計算表明，愛因斯坦用來反駁互補原理的思想實驗反而變成了用互補原理說明波粒二象性的標準范例。

據(jù)海森堡后來回憶，這樣的討論往往從早上開始，愛因斯坦在吃早飯時告訴玻爾等人他夜里想出來的新思想實驗。并根據(jù)他的解釋來否定測不準關系。玻爾等人就立即開始分析，在前往會議室的路上，就對這個問題作出了初步的說明，到會上再詳細討論。結果總是在吃晚飯的時候，玻爾就能給愛因斯坦證明，他的實驗是駁不倒測不準關系的。愛因斯坦很不安，第二天又提出一個新的思想實驗，比前一個更復雜。當然，結果還是以愛因斯坦的失敗告終，如此數(shù)日。這樣，甚至使得過去一些對哥本哈根解釋持懷疑態(tài)度的科學家，比如德布羅意也改變了自己的觀點，轉(zhuǎn)到玻爾的立場上來了。

玻爾認為他已經(jīng)成功地證實了自己的觀點，但愛因斯坦并不因為自己接二連三的失敗而改變看法。因為幾率概念起源于人們對賭博擲骰子的研究，所以他開玩笑地對玻爾等人說：難道你們真的相信上帝也會擲骰子來行使他的權利嗎？玻爾也客氣地回敬道：當你用普遍的言語來描述神的旨意時，你難道不認為應當小心一點嗎？這句話暗示了根據(jù)傳統(tǒng)的哲學觀點和日常的習慣語言是無法確切描述量子現(xiàn)象的。

　　盡管如此，玻爾還是十分尊重愛因斯坦的這些挑戰(zhàn)。他認為，“愛因斯坦的關懷和批評是很有價值的，促使我們大家再度檢驗和描述原子現(xiàn)象有關的各種理論。對于我來說，這是一種很受歡迎的刺激，迫使我進一步澄清測量儀器所起的作用�！痹跁h期間，玻爾等人后來差不多花了整整一夜時間，試圖自己設想出一種能充分駁倒測不準關系的思想實驗。玻爾個人就設想了二三種這樣的實驗。但無論設想出什么實驗裝置；只要一進行深入分析，就會發(fā)現(xiàn)它最終依然要服從測不準關系。

　　第五屆索爾威會議結束了。在本世紀兩位科學巨人論戰(zhàn)的第一個回合中，玻爾成功地守住了自己的陣地，但愛因斯坦并沒有服輸，他在 1928 年 5月 31 日致薛定諤的信中說：“玻爾、海森堡的綏靖哲學——或綏靖宗教——是如此精心策劃的，使它得以向那些信徒暫時提供了一個舒適的軟枕。那種人不是那么容易從這個軟枕上驚醒的，那就讓他們躺著吧�！�

　　1929 年，在《自然科學》周刊獻給普朗克的專號上，玻爾寫了一篇題為 “作用量子和自然的描述”的文章，從三個不同的方面，把他的方法與愛因斯坦的相對論作了比較，希望以此來改變愛因斯坦的觀點。他認為普朗克發(fā) 現(xiàn)作用量子，使我們面臨著一種與發(fā)現(xiàn)光速的有限性的一樣的形勢。正如在宏觀力學中，由于速度小，使我們能把時間概念和空間概念截然分開一樣，普朗克作用量子很小這一事實，也使我們在通常的宏觀現(xiàn)象中，能對時空和因果關系同時作出描述。但在微觀現(xiàn)象中，如同在高速情況下必須考慮觀察的相對性一樣，也不能忽略測量結果的互補性。測不準關系的限制保證了量子力學邏輯無矛盾性，也如同信號不能超越光速傳遞來保證相對論的邏輯無矛盾性一樣。他像海森堡一樣認為，由于愛因斯坦否定牛頓的絕對時間是因為沒有任何關于絕對同時性的實驗操作，所以，量子力學的共軛變量之間的測不準關系，也基于在任意的精確度上不可能對這些變量進行同時的測量。有人在這篇文章發(fā)表后去訪問愛國斯坦，并向他指出，海森堡和玻爾所用的方法就是愛因斯坦 1905 年發(fā)明的。這時，愛因斯坦風趣地回答道：一個好的笑話是不宜重復太多的。但是玻爾的文章啟發(fā)了愛因斯坦，使他想到，為什么不拿出自己的看家本領，用相對論來反駁玻爾呢？于是他作了充分的
準備。

　　1930 年秋天，第六屆索爾威會議開幕了。會議由郎之萬任主席。這次會議的主題是“物質(zhì)的磁性”。但是從物理學史和人類思想史的觀點來看，關于量于力學基礎問題的討論顯然在這次會議上形成了“喧賓奪主”之勢。各國的科學家懷著激動的心情，期待著兩位巨人之間新一輪論戰(zhàn)。

這次，愛因斯坦經(jīng)過三年的深思熟慮，秣馬厲兵，顯得胸有成竹，一開始便先發(fā)制人。他提出了著名的“光子箱”（又稱“愛因斯坦光盒”)思想實驗。他提出用相對論的方法，來實現(xiàn)對單個電子同時進行時間和能量的準確測量。如果這個方法可行，那么，即可宣告測不準關系破產(chǎn)，玻爾的工作和量子論的詮釋將被推翻。
愛因斯坦沉著地在黑板上畫了一個“光子箱”思想實驗的草圖，在一小盒子——光子箱中裝有一定數(shù)量的放射性物質(zhì)，下面放一只鐘作為計時控制器，它能在某一時刻將盒子右上方的小洞打開，放出一個粒子（光子或電子)，這樣光子或電子跑出來的時間就能從計時鐘上準確獲知。少了一個粒子，小盒的重量差則可由小盒左方的計量尺和下面的砝碼準確地反映出來，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能公式 E＝mc2，重量（質(zhì)量)的減少可以折合成能量的減少。因此，放出一個粒子準確的時間和能量都能準確測得。這與海森堡的不確定性原理完全相左，準確性和因果性再次獲得了完整的表達。愛因斯坦最后還著重表示，這一次實驗根本不涉及觀測儀器的問題，沒有什么外來光線的碰撞可以改變粒子的運動。一輪新的論戰(zhàn)就這樣開始了。
　　
這一回，玻爾遇到了嚴重挑戰(zhàn)。他剛一聽到這個實驗時，面色蒼白，呆若木雞，感到十分震驚，不能馬上找出這個問題的答案。當時他著實慌了手腳，在會場上一邊從一個人走向另一個人，一邊喃喃地說，如果愛因斯坦正確，那么物理學就完了。據(jù)羅森菲爾德回憶，當這兩個對手離開會場時，愛因斯坦那天顯得格外莊嚴高大，而玻爾則緊靠在他的旁邊快步走著，非常激動，并徒勞地試圖說明愛因斯坦的實驗裝置是不可能的。
　　
　　當天夜里，玻爾和他的同事們一夜沒合眼。玻爾堅信愛因斯坦是錯的，但關鍵是要找出愛因斯坦的破綻所在。他們檢查了愛因斯坦實驗的每一個細節(jié)，奮戰(zhàn)了一個通宵，終于找出了反駁愛因斯坦的辦法。
　　
第二天上午，會議繼續(xù)進行，玻爾喜氣洋洋地走向黑板，也畫了一幅“光子箱”思想實驗的草圖、與愛因斯坦不同的是，玻爾具體給出了稱量小盒子重量的方法。他把小盒用彈簧吊起來，在小盒的一側，他畫了一根指針，指針可以沿固定在支架上的標尺上下移動。這樣，就可以方便地讀出小盒在粒子跑出前后的重量了。然后，玻爾請大家回憶愛因斯坦創(chuàng)立的廣義相對論。從廣義相對論的等效原理可以推出，時鐘在引力場中發(fā)生位移時，它的快慢要發(fā)生變化。因此，當粒子跑出盒子而導致盒子重量發(fā)生變化時，盒子將在重力場中移動一段距離，這樣所讀出的時間也會有所改變。這種時間的改變，又會導出測不準關系�？梢�，如果用這套裝置來精確測定粒子的能量，就不能準確控制粒子跑出的時間。玻爾隨之給出了運用廠義相對論原理的數(shù)學證明。
　　
這下，愛因斯坦不得不又一次承認，玻爾的論證和計算都是無可指責的。他自己居然在設計這個理想實驗時，只考慮了狹義相對論而沒有考慮廣義相對論，出了一個大疏忽，實在太遺憾了。他意識到在量子力學的形式體系范圍內(nèi)是駁不倒測不準關系的，在口頭上承認了哥本哈根觀點的自洽性。這時，與愛因斯坦和玻爾都是好朋友的埃倫菲斯特，以開玩笑的口氣對愛因斯坦說，你不要再試圖制造“永動機”了。愛因斯坦表示欣然接受。

玻爾的勝利贏得了越來越多物理學家對他觀點的贊同。量子力學的哥本哈根解釋己被絕大多數(shù)物理學家奉為正統(tǒng)解釋。但玻爾并沒有滿足在會議上所取得的勝利，他回去后又仔細研究了“愛因斯坦光盒”的每一個細節(jié)，并且讓他的學生、物理學家伽莫夫制作了一個實體模型。至今這個模型仍保存在哥本哈根的玻爾理論物理研究所中。

在愛因斯坦和玻爾論戰(zhàn)的兩個回合中，玻爾以其人之道反治其人之身，巧妙地利用愛因斯坦設計的思想實驗和他創(chuàng)立的相對論，駁倒了愛因斯坦本人，取得了論戰(zhàn)的勝利。雖然愛因斯坦在具體物理問題上失敗了，但他對物理世界的基本觀點絲毫未變，仍堅持“上帝不會擲骰子”，在量子力學的詮釋背后一定有著更根本的規(guī)律，它們才能正確、全面解釋量子現(xiàn)象。

1935 年，愛因斯坦、波道爾斯基和羅森三人聯(lián)名發(fā)表了 EPR 文章，把攻擊的矛頭從量子理論內(nèi)部邏輯自洽性，轉(zhuǎn)到了量子理論的完備性上來。玻爾對此著文予以答辯。雙方爭辯的中心是對“物理實在”的理解，實際上是對微觀世界特殊規(guī)律的認識問題。這表明兩位科學巨人已把論戰(zhàn)提到了一個新的高度，其意義也更加廣泛和深遠。

　　在愛因斯坦和玻爾分別于 1955 年和 1962 年逝世后，作為他們個人之間的學術爭論，當然結束了。但是這場涉及物理學及科學哲學的大論戰(zhàn)，目前仍在繼續(xù)，它的不斷深入，甚至可能會釀成一場震撼現(xiàn)代物理學兩大支柱——相對論和量子力學的巨大風暴。
－－－－－－－－－－－大師級針鋒相對的爭論，是人類探索真理的絕佳途徑

目前的學術界缺少這樣的爭論
中醫(yī)界更是缺少這樣的爭論
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