《量子物理史话》

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量子物理史话- 第29部分


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说纷纭,有如聚讼,谁也没法说服对方。
1989年,杨振宁在上海交大演讲的时候还说:“……很好的海森堡传记至今还没写出,而已有的传记对这件事是语焉不详的……这是一段非常复杂的历史,我相信将来有人会写出重要的有关海森堡的传记。”
幸运的是,从那时起到今天,事情总算是如其所愿,有了根本性的变化。
四爱因斯坦没有出席1933年第七届索尔维会议,他被纳粹德国逼得离开家乡,流落异国,忧郁地思索着欧洲那悲惨的未来。另一方面,这届索尔维会议的议题也早就不是量子论本身,而换成了另一个激动人心的话题:爆炸般发展的原子物理。不过这个领域里的成就当然也是在量子论的基础上取得的,而量子力学的基本形式已经确定下来,成为物理学的基础。似乎是尘埃落定,没什么人再怀疑它的力量和正确性了。在人们的一片乐观情绪中,爱因斯坦和薛定谔等寥寥几人愈加显得孤独起来。薛定谔和德布罗意参加了1933年索尔维会议,却都没有发言,也许是他们对这一领域不太熟悉的缘故吧。新新人类们在激动地探讨物质的产生和湮灭、正电子、重水、中子……那样多的新发现让人眼花缭乱,根本忙不过来。而爱因斯坦他们现在还能做什么呢?难道他们的思想真的已经如此过时,以致跟不上新时代那飞一般的步伐了吗?1933年9月25日,埃仑费斯特在荷兰莱登枪杀了他那患有智力障碍的儿子,然后自杀了。他在留给爱因斯坦,玻尔等好友的信中说:“这几年我越来越难以理解物理学的飞速发展,我努力尝试,却更为绝望和撕心裂肺,我终于决定放弃一切。我的生活令人极度厌倦……我仅仅是为了孩子们的经济来源而活着,这使我感到罪恶。我试过别的方法但是收效甚微,因此我越来越多地去考虑自杀的种种细节,除此之外我没有第二条路走了……原谅我吧。”在爱因斯坦看来,埃仑费斯特的悲剧无疑是一个时代的悲剧。两代物理学家的思想猛烈冲突和撞击,在一个天翻地覆的飘摇乱世,带给整个物理学以强烈的阵痛。埃仑费斯特虽然从理智上支持玻尔,但当一个文化衰落之时,曾经为此文化所感之人必感到强烈的痛苦。昔日黄金时代的黯淡老去,代以雨后春笋般兴起的新思潮,从量子到量子场论,原子中各种新粒子层出不穷,稀奇古怪的概念统治整个世界。爱因斯坦的心中何曾没有埃仑费斯特那样难以名状的巨大忧伤?爱因斯坦远远地,孤独地站在鸿沟的另一边,看着年轻人们义无反顾地高唱着向远方进军,每一个人都对他说他站错了地方。这种感觉是那样奇怪,似乎世界都显得朦胧而不真实。难怪曾经有人叹息说,宁愿早死几年,也不愿看到现代物理这样一幅令人难以接受的画面。不过,爱因斯坦却仍然没有倒下,虽然他身在异乡,他的第二个妻子又重病缠身,不久将与他生离死别,可这一切都不能使爱因斯坦放弃内心那个坚强的信仰,那个对于坚固的因果关系,对于一个宇宙和谐秩序的痴痴信仰。爱因斯坦仍然选择战斗,他的身影在斜阳下拉得那样长,似乎是勇敢的老战士为一个消逝的王国做最后的悲壮抗争。这一次他争取到了两个同盟军,他们分别是他的两个同事波多尔斯基(Boris Podolsky)和罗森(Nathan Rosen)。1935年3月,三人共同在《物理评论》(Physics Review)杂志上发表了一篇论文,名字叫《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗?》,再一次对量子论的基础发起攻击。当然他们改变策略,不再说量子论是自相矛盾,或者错误的,而改说它是“不完备”的。具体来说,三人争辩量子论的那种对于观察和波函数的解释是不对的。我们用一个稍稍简化了的实验来描述他们的主要论据。我们已经知道,量子论认为在我们没有观察之前,一个粒子的状态是不确定的,它的波函数弥散开来,代表它的概率。但当我们探测以后,波函数坍缩,粒子随机地取一个确定值出现在我们面前。现在让我们想象一个大粒子,它是不稳定的,很快就会衰变成两个小粒子,向相反的两个方向飞开去。我们假设这种粒子有两种可能的自旋,分别叫“左”和“右”,那么如果粒子A的自旋为“左”,粒子B的自旋便一定是“右”,以保持总体守恒,反之亦然。好,现在大粒子分裂了,两个小粒子相对飞了出去。但是要记住,在我们没有观察其中任何一个之前,它们的状态都是不确定的,只有一个波函数可以描绘它们。只要我们不去探测,每个粒子的自旋便都处在一种左/右可能性叠加的混合状态,为了方便我们假定两种概率对半分,各50%。现在我们观察粒子A,于是它的波函数一瞬间坍缩了,随机地选择了一种状态,比如说是“左”旋。但是因为我们知道两个粒子总体要守恒,那么现在粒子B肯定就是“右”旋了。问题是,在这之前,粒子A和粒子B之间可能已经相隔非常遥远的距离,比如说几万光年好了。它们怎么能够做到及时地互相通信,使得在粒子A坍缩成左的一刹那,粒子B毅然坍缩成右呢?量子论的概率解释告诉我们,粒子A选择“左”,那是一个完全随机的决定,两个粒子并没有事先商量好,说粒子A一定会选择左。事实上,这种选择是它被观测的那一刹那才做出的,并没有先兆。关键在于,当A随机地作出一个选择时,远在天边的B便一定要根据它的决定而作出相应的坍缩,变成与A不同的状态以保持总体守恒。那么,B是如何得知这一遥远的信息的呢?难道有超过光速的信号来回于它们之间?假设有两个观察者在宇宙的两端守株待兔,在某个时刻t,他们同时进行了观测。一个观测A,另一个同时观测B,那么,这两个粒子会不会因为距离过于遥远,一时无法对上口径而在仓促间做出手忙脚乱的选择,比如两个同时变成了“左”,或者“右”?显然是不太可能的,不然就违反了守恒定律,那么是什么让它们之间保持着心有灵犀的默契,当你是“左”的时候,我一定是“右”?爱因斯坦等人认为,既然不可能有超过光速的信号传播,那么说粒子A和B在观测前是“不确定的幽灵”显然是难以自圆其说的。唯一的可能是两个粒子从分离的一刹那开始,其状态已经确定了,后来人们的观测只不过是得到了这种状态的信息而已,就像经典世界中所描绘的那样。粒子在观测时才变成真实的说法显然违背了相对论的原理,它其中涉及到瞬间传播的信号。这个诘难以三位发起者的首字母命名,称为“EPR佯谬”。玻尔在得到这个消息后大吃一惊,他马上放下手头的其他工作,来全神贯注地对付爱因斯坦的这次挑战。这套潜心演练的新阵法看起来气势汹汹,宏大堂皇,颇能夺人心魄,但玻尔也算是爱因斯坦的老对手了。他睡了一觉后,马上发现了其中的破绽所在,原来这看上去让人眼花缭乱的一次攻击却是个完完全全的虚招,并无实质力量。玻尔不禁得意地唱起一支小调,调侃了波多尔斯基一下。原来爱因斯坦和玻尔根本没有个共同的基础。在爱因斯坦的潜意识里,一直有个经典的“实在”影像。他不言而喻地假定,EPR实验中的两个粒子在观察之前,分别都有个“客观”的自旋状态存在,就算是概率混合吧,但粒子客观地存在于那里。但玻尔的意思是,在观测之前,没有一个什么粒子的“自旋”!那时候自旋的粒子是不存在的,不是客观实在的一部分,这不能用经典语言来表达,只有波函数可以描述。因此在观察之前,两个粒子——无论相隔多远都好——仍然是一个互相关联的整体!它们仍然必须被看作母粒子分裂时的一个全部,直到观察以前,这两个独立的粒子都是不存在的,更谈不上客观的自旋状态!这是爱因斯坦和玻尔思想基础的尖锐冲突,玻尔认为,当没有观测的时候,不存在一个客观独立的世界。所谓“实在”只有和观测手段连起来讲才有意义。在观测之前,并没有“两个粒子”,而只有“一个粒子”,直到我们观测了A或者B,两个粒子才变成真实,变成客观独立的存在。但在那以前,它们仍然是互相联系的一个虚无整体。并不存在什么超光速的信号,两个遥远的粒子只有到观测的时候才同时出现在宇宙中,它们本是协调的一体,之间无需传递什么信号。其实是这个系统没有实在性,而不是没有定域性。EPR佯谬其实根本不是什么佯谬,它最多表明了,在“经典实在观”看来,量子论是不完备的,这简直是废话。但是在玻尔那种“量子实在观”看来,它是非常完备和逻辑自洽的。
既生爱,何生玻。两人的世纪争论进入了尾声。在哲学基础上的不同使得两人间的意见分歧直到最后也没能调和。一直到死,玻尔也未能使爱因斯坦信服,认为量子论的解释是完备的。而玻尔本人也一直在同爱因斯坦的思想作斗争,在他1962年去世后的第二天,人们在他的黑板上仍然发现画有当年爱因斯坦光箱实验的草图。两位科学巨人都为各自的信念而奋斗了毕生,但别的科学家已经甚少关心这种争执。在量子论的引导下,科学显得如此朝气蓬勃,它的各个分支以火箭般的速度发展,给人类社会带来了伟大的技术革命。从半导体到核能,从激光到电子显微镜,从集成电路到分子生物学,量子论把它的光辉播撒到人类社会的每一个角落,成为有史以来在实用中最成功的物理理论。许多人觉得,争论量子论到底对不对简直太可笑了,只要转过头,看看身边发生的一切,看看社会的日新月异,目光所及,无不是量子论的最好证明。如果说EPR最大的价值所在,那就是它和别的奇想空谈不同。只要稍微改装一下,EPR是可以为实践所检验的!我们的史话在以后会谈到,人们是如何在实验室里用实践裁决了爱因斯坦和玻尔的争论,经典实在的概念无可奈何花落去,只留下一个苍凉的背影和深沉的叹息。但量子论仍然困扰着我们。它的内在意义是如此扑朔迷离,使得对它的诠释依旧众说纷纭。量子论取得的成就是无可怀疑的,但人们一直无法确认它的真实面目所在,这争论一直持续到今天。它将把一些让物理学家们毛骨悚然的概念带入物理中,令人一想来就不禁倒吸一口凉气。而反对派那里还有一个薛定谔,他要放出一只可怕的怪兽,撕咬人们的理智和神经,这就是叫许多人闻之色变的“薛定谔的猫”。*********饭后闲话:海森堡和德国原子弹计划(四)海森堡本人于1976年去世了。在他死后两年,英国人Jones出版了《高度机密战争:英国科学情报部门》(Most Secret War:British Scientific Intelligentce)一书,详细地分析了海森堡当年在计算时犯下的令人咋舌的错误。但他的分析却没有被Mark Walker所采信,在资料详细的《德国国家社会主义及核力量的寻求》(German National Socialism and the Quest for Nubclear Power,1989年出版)中,Walker还是认为海森堡在1942年头脑清楚,知道正确的事实。到了1992年,Hofstra大学的戴维?卡西迪(David Cassidy)出版了著名的海森堡传记《不确定性:海森堡传》,这至今仍被认为是海森堡的标准传记。他分析了整件事情,并最后站在了古德施密特等人的立场上,认为海森堡并没有什么主观的愿望去“摧毁”一个原子弹计划,他当年确实算错了。但是很快到了1993年,戏剧性的情况又发生了。Thomas Powers写出了巨著《海森堡的战争》(Heisenberg’s War)。Powers本是记者出身,非常了解如何使得作品具有可读性。因此虽然这本厚书足有607页,但文字奇巧,读来引人入胜,很快成了畅销作品。Powers言之凿凿地说,海森堡当年不仅仅是“消极”地对待原子弹计划,他更是“积极”地破坏了这个计划的成功实施。他绘声绘色地向人们描绘了一幕幕阴谋、间谍、计划,后来有人挪揄说,这本书的前半部分简直就是一部间谍小说。不管怎么样说,这本书在公众中的反响是很大的,海森堡作为一个高尚的,富有机智和正义感的科学家形象也深入人心,更直接影响了后来的戏剧《哥本哈根》。从以上的描述可以见到,对这件事的看法在短短几年中产生了多少极端不同的看法,这在科学史上几乎独一无二。1992年披露了一件非常重要的史料,那就是海森堡他们当初被囚在Farm Hall的窃听录音抄本。这个东东长期来是保密的,只能在几个消息灵通者的著作中见到一星半点。1992年这份被称为Farm Hall Transcrip;t的文件解密,由加州大学伯克利出版,引起轰动。Powers就借助了这份新资料,写出了他的著作。《海森堡的战争》一书被英国记者兼剧作家Michael Frayn读到,后者为其所深深吸引,不由产生了一个巧妙的戏剧构思。在“海森堡之谜”的核心,有一幕非常神秘,长期为人们争议不休的场景,那就是1941年他对玻尔的访问。当时丹麦已被德国占领,纳粹在全欧洲的攻势势如破竹。海森堡那时意识到了原子弹制造的可能性,他和魏扎克两人急急地假借一个学术会议的名头,跑到哥本哈根去会见当年的老师玻尔。这次会见的目的和谈话内容一直不为人所知,玻尔本人对此隐讳莫深,绝口不谈。唯一能够确定的就是当时两人闹得很不愉快,玻尔和海森堡之间原本情若父子,但这次见面后多年的情义一朝了断,只剩下表面上的客气。发生了什么事?有人说,海森堡去警告玻尔让他注意德国的计划。有人说海森堡去试图把玻尔也拉进他们的计划中来。有人说海森堡想探听盟军在这方面的进展如何。有人说海森堡感到罪孽,要向玻尔这位“教皇”请求宽恕……Michael Frayn着迷于Powers的说法,海森堡去到哥本哈根向玻尔求证盟军在这方面的进展,并试图达成协议,双方一起“破坏”这个可怕的计划。也就是说,任何一方的科学家都不要积极投入到原子弹这个领域中去,这样
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