物理史 2000 年來最精彩的對決!

來源 = 電子工程專輯

轉載自哲學園

在 20 世紀初,物理學界誕生了影響至今的兩大理論,這兩個門派,一個是愛因斯坦以一人之力提出的相對論,另一個則是由玻爾領導的哥本哈根學派合力塑成的量子力學。

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而因爲觀念的差異,愛因斯坦與玻爾領導的哥本哈根學派之間的分歧不斷擴大。

1926 年,薛定諤從經典力學的哈密頓-雅可比方程 (使用分析力學中求解動力學問題的一個方程) 出發,利用變分法 (一種求解邊界值問題的方法) 和德布羅意方程,最後求出了一個非相對論的方程,用希臘字母ψ來 = 代表波的函數,最終形式是:

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這就是名震 20 世紀物理史的薛定諤波動方程。方程中的波函數用來描述微觀粒子的狀態,但是薛定諤認爲這應該表現爲振動着的物質波的諧函數而不是跳躍的電子。他認爲電子是一種波,就像雲彩一般 (電子雲說法的由來),放大來看後,就好像在空間裏融化開來,變成無數振動的疊加,平常表現出量子的狀態,是因爲它蜷縮的太過厲害,看起來就像一個小球。函數ψ就是電子電荷在空間中的實際分佈。

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電子雲模型

薛定諤認爲:波函數本身代表一個實在的和物理的可觀測量,即使在原子量級上,經典的連續過程和絕對的決定論照樣成立。

然而哥本哈根學派的玻恩統計解釋認爲 : 波函數在某一時刻在空間的強度 , 即其振幅絕對值的平方與在這一點找到粒子的機率成正比 , 和粒子聯繫的波是概率波。波函數Ψ因此就稱爲概率幅,玻恩的統計解釋提出之後,波函數Ψ的絕對值的平方因此就稱爲概率幅,玻恩成功地解釋了以反對量子力學爲目的的薛定諤方程中波函數的物理意義。這種統計或概率方法,和它所伴隨的非連續性波函數坍縮。

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玻爾更是因此提出了互補性原理:原子現象不能用經典力學所要求的完備性來描述。在構成完備的經典描述的某些互相補充的元素,在這裏實際上是相互排除的,這些互補的元素對描述原子現象的不同面貌都是需要的。

所以既然物質具有波粒二象性。根據互補原理,一個實驗可以展示出物質的粒子行爲,或波動行爲 ; 但不能同時展示出兩種行爲。

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而海森堡則提出了不確定性原理,你不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度,粒子位置的不確定性,必然大於或等於普朗克常數除於 4π(ΔxΔp≥h/4π),總結來說,你選擇以確定電子位置的實驗本身,就導致了你無法對電子的動量進行精密的測量 !。

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波恩的概率解釋、海森堡的不確定性原理和玻爾的互補原理,三者共同構成了量子論“哥本哈根解釋”的核心。

而這也導致了愛因斯坦與哥本哈根學派之間的尖銳爭執,相對論雖然推翻了牛頓的絕對時空觀,卻仍保留了嚴格的因果性和決定論,而量子力學的哥本哈根詮釋卻更激進,哥本哈根詮釋的三大核心原理,前兩者摧毀了經典力學構建的嚴格因果性,互補原理和不確定原理又合力搗毀了世界的絕對客觀性。

哥本哈根詮釋拋棄了經典的因果關係,宣稱人類並不能獲得實在世界的確定的結果,它稱自己只有由這次測量推測下一次測量的各種結果的分佈機率,而拒絕對事物在兩次測量之間的行爲做出具體描述。

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兩個人的論爭可以歸結爲上帝是否擲骰子

在通過一系列的信件論爭之後,雙方的對決在第五屆索爾維會議達到高潮。

時間:

1927 年 10 月 24 日—29 日。主題“電子和光子”

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哥本哈根學派參戰方:

玻爾、海森堡、泡利、玻恩

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愛因斯坦一派參戰方

愛因斯坦、德布羅意、薛定諤

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吃瓜羣衆

實驗物理學家代表:康普頓、居里夫人、布拉格等

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PS:實驗物理派與參戰兩方所代表的理論物理派在 20 世紀初曾爆發激烈的矛盾,理論物理派講究從理論上探索自然界未知的物質結構、相互作用和物質運動的基本規律,而實驗物理派主要是從實驗上來探索物質世界和自然規律。

愛因斯坦斯坦的相對論是兩派矛盾的爆發點,部分實驗物理學派因爲相對論尤其是廣義相對論在當時並沒有實驗基礎,他們無法接受其中新的時空觀,兩派的激烈矛盾導致愛因斯坦 1921 年的諾貝爾獎其實是 1922 年被追授的。而此次會議他們所關心的也只是實驗的結果。

公正人

量子論創始人:普朗克

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1900 年,普朗克發表了量子假說,掀開了物理學發展新的序幕,標誌着物理學由經典物理學向現代物理學轉變,作爲量子論的創始人,普朗克爲量子力學的創立奠定了基礎,而同時普朗克也對愛因斯坦讚賞有加。作爲一名德高望重的長者,69 歲的普朗克出席此次會議則起到了一定的公正作用,有他坐陣,兩方最起碼不會打起來。

主持人

理論物理學大宗師:洛倫茲

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第一代理論物理學家的領袖,他填補了經典電磁場理論與相對論之間的鴻溝,是經典物理和近代物理間的一位承上啓下式的科學巨擘,洛倫茲提出的洛倫茲變換經過愛因斯坦導出之後, 成爲相對論最基本的關係式,狹義相對論的運動學結論和時空性質,如同時性的相對性、長度收縮、時間延緩、速度變換公式、相對論多普勒效應等都可以從洛倫茲變換中直接得出。洛倫茲作爲此次會議的主持人,也保證了此次會議的含金量。

對決過程

第一輪:

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在這次大會上,愛因斯坦首先派出自己的大將德布羅意作量子新力學的演講。

他說 : 粒子是波場中的一個奇異點 , 波引導着粒子運動。德布羅意試圖把粒子融合到波的圖像裏去,提出了一種“導波”(pivot wave) 的理論,認爲粒子是波動方程的一個奇點,它必須受波的控制和引導,將波函數視爲引導粒子動作的嚮導波。

然而由於這一理論失去了因果理論的邏輯一致性,被懟天懟地懟空氣的“上帝之鞭”泡利站起來狠狠地批評了一頓,他首先不能容忍歷史車輪倒轉,回到一種傳統圖像中,然後他引了一系列實驗結果來反駁德布羅意,證明此理論無法適當處理非彈性散射 (高能快中子射入物質,與構成物質的原子核 (靶核) 發生作用時,先被靶核吸收形成複合核,而後再放出較低能量的中子,靶核吸收了能量處於激發態。這一作用稱爲非彈性散射),最後,德布羅意不得不公開聲明放棄他的觀點。

結果:哥本哈根學派勝利第二輪:

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薛定諤又搬出了自己的“電子雲”理論,薛定諤認爲波函數本身代表一個物理實在的可觀測量,電子的確在空間中實際地如波般擴散開去,例如電子的波函數和電子的電荷相乘,就代表了電子的電荷在空間中的實際分佈。

結果被海森堡和玻恩聯合撂倒。海森堡評論說:“我從薛定諤的計算中看不到任何東西可以證明事實如同他所希望的那樣”。

薛定諤承認他的計算確實還不太令人滿意,不過他依然堅持,談論電子的軌道是“胡扯”。波恩回敬道:“不,一點都不是胡扯”。

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電子雲

海森堡和波恩認爲波函數本身是個不可觀測量,波函數的平方代表粒子在空間某點出現的概率,電子本身不會像波那樣擴展開去,只是它在空間出現的概率像一個波,嚴格地按照波函數的分佈展開。如此一來,量子規律本質上是統計性的,非決定論的。

玻恩和海森堡報告了他們的《量子力學》, 他們在報告最後說 :“我們主張 , 量子力學是一種完備的理論 , 它的基本物理假說和數學假設是不能進一步修改的”。

玻恩和海森堡的連續進攻讓薛定諤最後只能選擇繳械投降。

在此次對決中,薛定諤被懟的啞口無言。哥本哈根學派成功實現了雙殺第三輪

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無將可派的愛因斯坦與哥本哈根學派的掌門人玻爾在會議上展開了精彩的對決,兩位物理史上的大師在此次會議上展開的爭論將會議掀至高潮。第五屆索爾維會議很快變成了專屬於玻爾和愛因斯坦的決鬥。

玻爾發表了他的講演《量子公設和原子理論的最近發展》,愛因斯坦起來發言,表達了他對量子力學的一般性見解。

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玻爾講演稿原文片段

愛因斯坦提出了一個模型:一個電子通過一個小孔得到衍射圖像。愛因斯坦指出,目前存在着兩種觀點,第一是說這裏沒有“一個電子”,只有“一團電子雲”,它是一個空間中的實在,爲德布羅意-薛定諤波所描述。第二是說的確有一個電子,而ψ是它的“機率分佈”,電子本身不擴散到空中,而是它的機率波。

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愛因斯坦承認,觀點Ⅱ是比觀點 I 更加完備的,因爲它整個包含了觀點 I。儘管如此,愛因斯坦仍然說,他不得不反對觀點Ⅱ, 因爲這種隨機性表明,同一個過程會產生許多不同的結果,而且這樣一來,感應屏上的許多區域就要同時對電子的觀測作出反應,這似乎暗示了一種超距作用,從而違背相對論。愛因斯坦認爲從中可以清楚地看出哥本哈根解釋的內部矛盾。

然而玻爾舉出實證,不但證明了這個模型是符合量子力學的,還畫出一幅實驗示意圖,表明這個實驗仍然符合量子力學的特性,玻爾的反擊讓愛因斯坦無法反駁。

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但是愛因斯坦沒有屈服,他使出自己的看家本領,不斷髮動攻勢,想讓哥本哈根學派領袖玻爾屈服,但是玻爾每次都能順利化解,並且立馬發動反擊。

下面有請前方記者、吃瓜羣衆、玻爾和愛因斯坦的共同好友埃倫費斯特發回的報道:

愛因斯坦像一個彈簧玩偶,每天早上都帶着新的主意從盒子裏彈出來,而玻爾則從雲霧繚繞的哲學中找到工具,把對方所有的論據都一一碾碎。

下面我們再有請在場的海森堡同志描述一下當時的畫面:

討論很快就變成了一場愛因斯坦和玻爾之間的決鬥:當時的原子理論在多大程度上可以看成

是討論了幾十年的那些困難的最終答案呢 ?

我們一般在旅館用早餐時就見面了,於是愛因斯坦就描繪一個思維實驗,他認爲從中可以清楚地看出哥本哈根解釋的內部矛盾。然後愛因斯坦,玻爾和我便一起走去會場,我就可以現場聆聽這兩個哲學態度迥異的人的討論,我自己也常常在數學表達結構方面插幾句話。在會議中間,尤其是會間休息的時候,我們這些年輕人。大多數是我和泡利,就試着分析愛因斯坦的實驗,而在吃午飯的時候討論又在玻爾和別的來自哥本哈根的人之間進行。

一般來說玻爾在傍晚的時候就對這些理想實驗完全心中有數了,他會在晚餐時把它們分析給愛因斯坦聽。愛因斯坦對這些分析提不出反駁,但在心裏他是不服氣的。

最終,在第三輪戰中,哥本哈根學派再次取得勝利,三戰三勝 ! 結果

在此次會議的論戰中,玻爾領導的哥本哈根學派取得了完全的勝利,但愛因斯坦仍然堅持自己的觀點,不肯承認他輸了,他在給朋友的信中寫道:

“玻爾、海森堡的綏靖哲學是如此精心策劃的,使它得以向那些信徒暫時提供了一個舒適的軟枕。那種人不是那麼容易從這個軟枕上驚醒的,那就讓他們躺着吧。”

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社團大哥玻爾大爺

由此掀開了第六屆索爾維會議的序幕,沒錯,再幹一輪 !

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意義:

第五屆索爾維會議的論戰可以說是物理史 2000 年以來最爲精彩最高配置的對決,雖然這場論戰十分尖銳、激烈,但是卻展現了雙方對於科學的嚴謹態度,這是一場真正的學術論戰,是學術論戰的光輝典範。

通過這次論戰,大家普遍認識到哥本哈根派關於波函數的解釋更具完備性,對量子力學的原理有了更深刻的認識,推理了物理學的大發展。

由此 20 世紀到 21 世紀,現代物理學體系迎來了雙子星時代。

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PS:全部參會人員明細表

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後排左起:

A. 皮卡爾德 (A.Piccard)E. 亨利厄特 (E.Henriot)P. 埃倫費斯特 (P.Ehrenfest)

Ed. 赫爾岑 (Ed.Herzen) Th. 頓德爾 (德康德)(Th. de Donder)

E. 薛定諤 (E.Schrodinger) E. 費爾夏費爾德 (E.Verschaffelt) W. 泡利 (W.Pauli)

W. 海森堡 (W.Heisenberg) R.H. 否勒 (R.H.Fowler) L. 布里淵 (L.Brillouin )

中排左起:

P. 德拜 (P.Debye) M. 克努森 (M.Knudsen) W.L. 布拉格 (

W.L.Bragg) H.A. 克萊默 (H.A.Kramers) P.A.M 狄拉克 (P.A.M.Dirac) A.H. 康普頓 (A.H.Compton ) L. 德布羅意 (L. de Broglie) M. 波恩 (M.Born) N. 玻爾 (N.Bohr )

前排左起:

I. 朗繆爾 (I.Langmuir) M. 普朗克 (M.Planck M. 居里夫人 (Mme Curie )

H.A. 洛倫茲 (H.A.Lorentz ) A. 愛因斯坦 (A.Einstein) P. 朗之萬 (P.Langevin)

Ch.E. 古伊 (Ch.E.Guye) C.T.R. 威爾遜 (C.T.R.Wilson)

O.W. 裏查遜 (O.W.Richardson)

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