玻爱争论第三回合

作者: 张天蓉

来源: 赛先生

发布日期: 2020-05-16 19:02:34

本文详细描述了爱因斯坦与玻尔在量子力学诠释上的第三次争论,即EPR论文的发表及其引发的广泛讨论。文章通过回顾历史背景、争论的具体内容以及双方的立场,展现了量子力学发展过程中的关键思想碰撞。

第五次和第六次索尔维会议,分别成为了“玻爱之争”第一第二回合的两个战场。1933年,正值纳粹上台、战火纷纷的年代,尽管第七次索尔维会议按时在布鲁塞尔召开,但爱因斯坦和普朗克都未能参加。爱因斯坦因其犹太人身份被赶出了欧洲,当时正逢他辗转迂回、忙于走访美国之际。普朗克那年已经74岁,作为一个德国人,对国家无条件忠诚的传统意识,经常冲击着这位正直科学家的良心。

因此,经典保守派中只剩下战斗力不强的德布罗意和薛定谔出席了会议。双龙无首的两人都不想发言,这令玻尔大大松了一口气。而出席会议的其他人员中,除了居里夫人、朗之万、卢瑟福等对两派之争不感兴趣的老将外,多是当初热衷量子力学的年轻人马:海森堡、泡利、狄拉克、费米、克拉默斯等,如今好几位都“升级”坐到了第一排。因此,会议上哥本哈根派唱独角戏,看起来量子论已经根基牢靠,论战尘埃落定。

其实不然,爱因斯坦身在曹营心在汉,即使是漂泊到了异国他乡,妻子又身染重病,他依旧在苦苦思索量子力学的问题。爱因斯坦最得意的是他的两个相对论,最令他头疼又牵肠挂肚的,却是这个量子力学。如何诠释量子力学?这是他一个难治的心病。1933年底,爱因斯坦成为普林斯顿高等研究院的常驻教授,他给自己招了两名助手。图16-1:EPR的三位作者鲍里斯·波多尔斯基是一名生于俄国的犹太人,于1911年移民美国。

1928年,波多尔斯基从加州理工学院获得博士学位之后,于1930年至1933年回到苏联,曾在乌克兰物理技术研究所担任理论物理主任。纳森·罗森是出生于纽约布鲁克林的犹太人,就读于MIT(麻省理工学院),一开始学习的是电机工程学,之后转行物理学并获得博士学位。有一次,在下午三点钟的传统茶会中,罗森向爱因斯坦提到了他1931年做过的一个关于氢分子基态的工作,其中涉及到与两个粒子相关的波函数。

爱因斯坦立即得到启发,想到了他与玻尔的长期分歧,意识到可以由此设计一个思想实验,反映出量子力学理论不完备的问题。当他们俩讨论问题时,波多尔斯基加入了对话,他后来提议写一篇文章,爱因斯坦默许了。出于语言的原因,提交给《物理评论》的论文由波多尔斯基执笔,后来人们将其称为EPR论文(Einstein-Podolsky-Rosen paradox),EPR是三位作者名字的第一个字母。

爱因斯坦起初对波多尔斯基的能力非常欣赏,但对他所写的EPR论文却不是十分满意,虽然同意出版,但认为“不是我最初想要的那样”。后来,波多尔斯基同时在《纽约时报》发表了一篇有关EPR论文的预告,以某种方式暗示作者们发现了量子力学的瑕疵。爱因斯坦为此很生气,认为波多尔斯基过于夸大,他提出声明:“我的一贯做法是仅在适当的论坛上讨论科学问题,我不赞成在世俗媒体中提前发布有关此类问题的任何公告。

”此后,爱因斯坦不再与波多尔斯基说话。EPR论文实际上,爱因斯坦并不是一个头脑僵化的老顽固,他不停地在修正对量子力学的看法。即使是对于他最难以接受的概率诠释,爱因斯坦的看法也有所改变。还在1931年,爱因斯坦就已经承认,当应用于多个粒子构成的统计系综时,概率诠释是正确的。但是他无论如何也不同意对单个粒子行为的概率描述。

与玻尔有过前两次交锋之后,爱因斯坦不得不承认量子力学在逻辑上是自洽的,从玻尔反击的论点中,挑不出很多毛病。判定一个物理理论正确与否是看它与实验符合的程度,量子力学得到了精确的实验验证,足以说明其正确性。这使爱因斯坦也不得不承认量子力学是正确的。但爱因斯坦总觉得量子力学有什么地方不对劲,特别是那个不确定性原理。换句话说,爱因斯坦认为:量子力学是正确的,或许也是逻辑自洽的,但是并不完备。

爱因斯坦等3人的文章(EPR)便是要指出量子力学的不完备性。所以文章的标题是:《描述物理实在的量子力学是完备的吗?》要证明量子力学不完备,首先需要解释“完备性”(completeness)。EPR文章的作者认为,一个完备的物理理论必须满足一个必要条件:“物理实在(客观实在)的每个元素都必须在理论中有它的对应物。”这儿又产生了问题:什么是“物理实在(客观实在)”?

于是,三位作者又给出客观实在的判断标准:如果在不扰动系统的合理前提下,可以准确地预测某个物理量,这个物理量就应该在完备的理论中,有它能被准确预测的对应物。不扰动系统的合理前提,实际上就是爱因斯坦等人经常强调的局域实在性。EPR论文中,提到一个思想实验,之后被薛定谔命名为“量子纠缠”(quantum entanglement),这个现象与“局域实在性”有关,被爱因斯坦形容为“鬼魅般的超距作用”。

量子纠缠就量子力学的观点而言,薛定谔是爱因斯坦最忠实的信徒。1934年,薛定谔曾经到普林斯顿大学讲学,校方希望聘请他,但薛定谔拒绝了并回到奥地利。

EPR悖论一文发表后,和薛定谔经常书信往来的爱因斯坦,在1935年8月的信中提及了一个火药处于爆炸与不爆炸“叠加态”的“经典案例”,后来被薛定谔发展完善后用“死活”状态叠加的“猫”来描述,此即著名的“薛定谔的猫”(Erwin Schrödinger's Cat)。薛定谔的猫,用来比喻量子力学中对单个粒子“叠加态”的概率解释,即在测量之前,微观粒子的状态是不确定的,可能的本征态以一定的概率叠加起来。

如果考虑不止一个粒子的系统,则除了本征态叠加之外,粒子和粒子之间还有互相关联,量子纠缠便用来表述这种关联。图16-2:两个粒子的量子纠缠如图16-2所示,量子纠缠中,描述了一个不稳定的大粒子衰变成两个小粒子(A和B)的情况。大粒子分裂成两个同样的小粒子。小粒子获得了动能,分别向相反的两个方向飞出去,A和B的位置和动量都保持等值反号。也就是说,两个构成量子纠缠态的粒子A和B,将会相距越来越远。

但根据守恒定律,无论相距多远,只要不与“第三者”相互作用,它们的速度和位置永远相等反向。然后,观察者Alice和Bob分别在两边对两个粒子进行测量。例如,Alice可以测量粒子A的速度(动量),她知道A的速度后,也就知道了B的速度,Bob无需再测量B的动量,而只需要精确地测量B的位置。这样的话,B在某一时刻的位置和动量就精确地被定义,违背了“不确定性原理”。这就是后人称为的EPR佯谬。

由上所述,位置和动量两者都是客观实在,但量子力学却不能给出它们确定的值,那么便能下结论说:在“局域实在性”的前提下量子力学是不完备的。玻尔怎么说?EPR论文在量子力学界掀起一阵风浪,泡利要求海森堡撰写了一篇反驳的草稿但并未发表。因为玻尔已经代表哥本哈根派表态了。对爱因斯坦的第三次挑战,玻尔不敢怠慢,立即放下手中所有其它的工作,认真阅读和思考EPR作者们提出的问题。

这时的玻尔已经不比前两个回合那般地手脚无措,他深思熟虑之后,很快就明白了爱因斯坦的症结所在。几个月后,玻尔以同样的标题在《物理评论》上发表了文章。玻尔更仔细地阐明了他的“互补性原理”,并以此出发反驳EPR关于物理实在性的描述。玻尔认为EPR文章中提出的关于物理实在性的判据是站不住脚的。

玻尔认为:量子现象是一种整体性的概念,测量手段会影响物理系统的波函数,只有在完成测量以后,物理现象才能称得上是一个现象。EPR文章中描述的A粒子和B粒子的双粒子纠缠态,是一个相互联系的整体,对其中任何一个粒子的测量,必定会扰动原先作为整体的另一个粒子的状态。因此,EPR的论证不能说明量子力学的不完备性。总之,EPR论证未被玻尔接受,玻尔的反驳也不能令爱因斯坦信服。

在EPR的“经典实在观”看来,量子力学是不完备的;而在玻尔的“量子实在观”看来,量子力学是非常完备和自洽的。这次论战将对量子力学的看法上升到哲学的层面,最后只能各自保留不同的观点,因为那是两人的哲学基础完全不同而造成的。哲学观的不同是根深蒂固、难以改变的。爱因斯坦最后被自己提出的量子纠缠所纠缠。

即使在之后的二三十年中,玻尔的理论占了上风,量子论如日中天,它的各个分支高速发展,给人类社会带来了伟大的技术革命,爱因斯坦仍然固执地坚持他的经典信念,反对哥本哈根派对量子论的诠释。

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