玻尔与爱因斯坦的争论.ppt

6.2.8玻尔与爱因斯坦的争论,一、量子力学的“正统”解释哥本哈根学派：玻尔是举世瞩目的丹麦“玻尔理论物理研究所”的筹建者、领导人和一系列国际一流研究工作的组织者、鼓动人，他除其科学成就卓著昭彰外，更在指引、凝聚一代量子物理学家群体共同发展量子理论、探讨其物理诠释和哲学含义方面，表现出惊人的魅力和天才，从而以他为首形成科学史上具有十分突出的科学贡献、非常深奥的思想意蕴的有名学派哥本哈根学派；这可算得是现代物理的一项特别成果。,量子力学的“正统”解释的要点(1)可观察量是建立理论的基础和依据人们无法直接观察到原子、电子、光子的行为，而只能在人工安排的特殊条件下对微观客体的行为和特性作出实验观测，从而得出各种观测结果之间关系的规律。但是在人们用特意安排的实验仪器观察微观客体时，就不可避免地要产生干扰，因而可观察量表现出的正是实验环境中的客体的行为和性质。这使量子现象具有主体与客体的不可分性，人们观察到的并不是微观客体本身的行为，而是从宏观仪器上呈现出来的实验观测结果推断出来的结论。这在逻辑上就无法排除人们的主观成分，因此在量子理论中，既包含着客观要素，也包含着主观要素。,(2)量子跃迁是量子力学的最基本概念它赋予微观客体过程一个实质性的不连续性，这种不连续性构成了人们对微观客体认识的极限。在量子力学中，人们无法同时准确地知道一个微观粒子的位置和动量，遵循“不确定关系”。可以证明对于物理学中的其他“共轭”变量，例如能量与时间，也同样遵循“不确定关系”。同时精确地测定一对共轭正则变量是不可能的，因为原则上所能达到的精确度受到了作用量子的限制。,(3)描述微观客体的波函数是一种几率波，粒子出现的几率由波幅的平方所决定。由此，在微观领域里，力学的因果律和决定论都遭到了破坏。根据量子力学理论，在同样的实验条件下，可以发生各种不能预期的个体量子过程，因而观测的结果也可能是各种各样的。每次测量都会由于观测仪器与微观客体之间不可控制的相互作用而引进新的初始条件，使通常意义下的因果链被打断。所以在量子力学中，人们必须放弃力学意义上的因果律和决定论，而把几率性看成是本质的。,(4)从实验中所观测到的微观现象，只能用通常的经典语言作出描述。微观客体的“波粒二象性”，即它的波动性和粒子性，正是用经典语言描述微观客体的结果。这两种图像既互相排斥，又必须同时用于对微观客体的统一性质的描述，所以它们又是互补的。这种互补的概念适用于整个物理学，甚至超越了物理学界而成为有普遍意义的一个哲学原理。,二、爱因斯坦的观点,哥本哈根学派的观点，引起了爱因斯坦、薛定谔、德布罗意等一些著名的物理学家的质疑，其中以爱因斯坦的观点最具代表性。爱因斯坦的观点：1、坚持完全的因果性，对统计因果律持有异议；2、对观察到的是“物理实在”，而非“客观实在”的观点持有异议，他曾说过一句充分表达内心信念的名言：“你相信掷骰子的上帝，我却相信客观存在的世界中的完备定律和秩序。”,三、论战的爆发1926年9月，薛定谔应玻尔的邀请，到哥本哈根介绍他的波动力学。在结束时，薛定谔提出应该放弃量子跃迁的概念，而代之以三维空间的波来描述微观客体的行为。玻尔与薛定谔争论着。他们的争论可以看作是爱因斯坦与玻尔争论的序幕。1927年9月，在意大利科摩召开了一次纪念意大利科学家伏打逝世一百周年的会议上，玻尔第一次公开了他提出的互补原理。这使到会的科学家们感到震惊。薛定谔和劳厄并不赞成玻尔的观点，尤其是不同意把物理学建立在不确定关系或其他不确定的统计解释上。,1927年10月在布鲁塞尔召开了第五次索尔维会议,玻恩和海森伯作了关于矩阵力学的报告，他们在报告的最后提出：“我们主张量子力学是一种完备的理论，它的基本物理假说和数学假说是不能进一步被修改的。”这番话无疑是向不同意见提出了挑战。会议主席洛伦兹也提出疑义。洛伦兹请玻尔阐述他的互补原理，玻尔发言重复了他在科摩会议上的观点，但是，爱因斯坦一直没有发言，直到玻恩直接问到爱因斯坦的意见，他才起来发言。爱因斯坦表示赞同量子力学的系综几率解释，而不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论的观点。在当时大多数人都赞成量子力学几率解释的情况下，爱因斯坦的发言掀起了波浪从而引发了他和玻尔之间就量子力学诠释问题的公开争论。,争论举例,1、“单缝衍射”的理想实验：玻尔指出不能避免在测量时仪器对电子不可控制的相互作用，即电子与狭缝边缘的相互作用。2、“双狭缝干涉实验”。可测出电子的准确径迹，显示出电子的粒子性。从而克服了单缝实验时测不准的困难。对此，玻尔经过仔细地思考反驳说，如果我们关闭狭缝M或N中的任何一个，实验状态就完全改变了。这样，玻尔就把爱因斯坦用来反驳互补原理的理想实验，反而变成了用互补原理来说明波粒二象性的例子。,四、争论的高潮在1930年10月召开的第六届索尔维会议上，爱因斯坦又提出了一个“光子箱”理想实验:在t里，让一个光子飞出；t可通过计时装置精确测定；飞出光子而引起的整个箱子的质量改变m也可精确地测定，并由E=mc2计算出箱内的能量变化E。这样，t和E就可同时测定，不确定关系不再成立。,爱因斯坦“光子箱”,玻尔的回答采用了爱因斯坦自己创立的广义相对论，使得爱因斯坦不能不承认玻尔的结论是无可指责的。爱因斯坦精心设计的“光子箱”理想实验非但没有难倒玻尔，反而成了不确定原理的一个绝好例证。爱因斯坦企图推翻不确定关系的尝试再一次失败。,EPR佯谬：第六届索尔维会议之后，爱因斯坦承认了海森伯的不确定原理和量子力学理论在逻辑上的自洽性，但是他仍然坚持认为量子力学是不完备的。1935年5月，爱因斯坦和美国物理学家波多尔斯基、罗森合作发表的能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?一文对量子力学理论的完备性提出了有力的反驳，这就是著名的以三位作者的姓的第一个字母简称的“EPR佯谬”。EPR认为判断一种物理学理论成功与否的两个判据1、“完备”理论的必要条件：物理实在的每一要素在理论中都必须具有对应的部分；2、“实在”要素的充分条件：不干扰这个体系而能够对它作出确定的预测。,EPR认为在量子力学中，由于不确定关系的结果，对于这一对共轭的物理量在下述两个判断中只能选择一个：或者认为量子态对于实在的描述是不完备的；或者对应于这两个不能对易的算符的物理量不能同时具有物理的实在性。EPR设想了一个理想实验，设想了一个对物理体系不进行任何干扰的测量方法。总之，爱因斯坦等人通过他们所提出的理想实验的讨论而得到结论：量子力学的波函数只能描述多粒子组成的体系(系综)的性质，而不能准确地描述单个体系(如粒子)的某些性质；但是一个完备性的理论应当能描述物理实在(包括单个体系)的每个要素的性质，所以不能认为量子力学理论描述是完备的。,玻尔对EPR的批评立即作出回答，他认为不可能以毫不含糊的方式来确定EPR所指的那些物理量，因为物理量本来就同测量条件和方法紧密联系着，确定物理量的这些条件使EPR所作的关于“实在”的定义在本质上含糊不清了。玻尔认为任何量子力学测量结果的报道给我们的不是关于客体的状态，而是关于这个客体浸没在其中的整个实验场合。这个整体性特点就保证了量子力学描述的完备性。,五、没有结尾的尾声由于二战，爱因斯坦与玻尔之间的论战平息了一个时期。直到40年代，他们才有机会再次重申各自的观点。1948年，爱因斯坦对EPR佯谬又做了一次深入的讨论。1949年，玻尔在纪念爱因斯坦70寿辰的文集爱因斯坦：哲学家科学家一书中发表了就原子物理学的认识论问题和爱因斯坦进行的商榷的长篇论文，全面系统地阐述了自己的观点，总结了他和爱因斯坦的论战。爱因斯坦在于同一年写的对批评的回答一文中，针对玻尔的文章作了回答，批评了哥本哈根学派的实证主义倾向。,爱因斯坦与玻尔之间持续了多年的争论，使得量子力学的意义不断地得到澄清，一次次争论也就是一步步地揭示了量子力学的本质含义。可以说，这场争论也是量子力学理论发展的一个组成部分。在深层次上，这场争论是两位物理学大师的哲学思想的交锋。这里的一个中心论题就是科学规律本质上应是因果性的，抑或可以是概率性的?还特别应提到的是，争论并没使这两位伟大的科学家之间产生什么不愉快。他们相互尊重，保持了友谊，为后人树立了榜样。像爱因斯坦和玻尔之间的这场论战，是不能以简单的胜负判决作结论的。正如当代物理学家惠勒所说：“我确实不知道哪里还会再出现两个更伟大的人物，在更高的合作水平上，针对一个更深刻的论题，进行一场为时更长的对话。我向往有一天，诗人、剧作家、雕塑家将会表现这一题材。”,玻尔互补原理玻尔，哥本哈根学派（简称哥派）的首领，在对于量子理论的物理诠释方面取得圆满的成就，其非凡的互补原理影响深远，成为哥派以至当今大部分物理学家信奉的思想原则，甚至扩展成所谓的互补哲学，受到各界人士的青睐。玻尔以中国的阴阳太极图(见图)作为哥派的族徽，以标示这貌似简单、实为诡秘的互补原理。,互补原理：微观物质体系的波动性和粒子性并非同时出现，即“不论注意对现象描述的连续性一面或不连续一面，我们总会丢掉一方面”；就是说，二者是互斥的，得此而失彼。例如：不确定性原理，表明任何一对共轭量（可观测力学量）测量时的准确程度，亦有得此失彼、互相排斥的情况。玻尔认为要改变此局面，可加以互补性说明：两个互斥的方面又是互相补充的，必须同时兼顾，二者共同构成对同一客体的完备描述。这就是互补原理。,玻尔对互补性的解释：经典理论以可观测物理量的时空微分方程（例如牛顿运动方程）为核心，表示宏观体系服从严格的因果律，所以它们是时空模型理论。量子力学的薛定谔方程乃波函数的时空微分方程，但代表量子态的波函数并非可观测量（可在时空中直接呈现），该方程不是客体本身在时空中运动的因果律。所以玻尔把互补性解释为：客体运动服从严格的因果律与凭依时空描绘客体的一切现象这两项经典要求不可能同时满足。,就波粒二重性而论，它并不真的表明微观客体本来有此二重性质，其实是既非经典的粒子，又非经典的波；这两种形态只是微观客体运动在不同的实验安排下呈现于宏观仪器上的不同图象，人们不得不以经典概念粒子性和波动性，才对其作出互为补充的全面描述。玻尔说：“观测能用经典物理的概念描绘，这几乎是实验的本质”；然而“这就是量子理论的整个佯谬”。因为一方面，必须建立起不同于经典物理定律的量子物理定律；另一方面，每当观测，便不得不毫无保留地使用原来的经典概念。正是这个佯谬，促使玻尔提出互补原理。,互补原理常常有为下面不同表述：两种物理图象(粒子图象和波动图象)互斥互补；两类可观测力学量（比如彼此共轭的位置和动量、时间和能量等）的经典概念也互斥互补，且两类力学量的测量准确度之间有得此失彼的不确定性关系。“两大类不同的实验场合（或称观测方式）也互斥互补”。玻尔强调，表观上互斥之两个方面的物理图象、经典概念、实验场合“综合起来，才揭示一切关于原子客体的明确知识”。,可见，互补原理给出了上述佯谬的一种自圆其说的妥贴解释。玻尔认为，在某种意义上说，量子力学的形式体系正就是对此佯谬、即对借用经典物理概念描述在一定的实验安排下所得之观测结果的统计征状的理解；而互补原理阐明了这种理解。因此，互补原理是量子力学的重要内容；尽管它只是一种解释，不能用数学公式表示。并且，玻尔还认为，互补原理是对经典物理关于物质运动最基本的规则因果原理的“一个合理的推广”：涉及因果定律，又补充以原子（和亚原子）现象观测上的不确定性。我们以为，这种推广是认定观测概念的自然结果。,互补性解释还是一种可以推广的观念，玻尔把它用于许多场合，超出物理学领域、超出自然科学领域；凡两难的局面，把两种不同的甚至对立的概念用来描述同一对象的两个侧面，并使二者相互补充，共同构成关于所考察对象的完整说明。所以，玻尔的互补原理便扩展成为一种观念上与传统哲学思想甚有差别的互补哲学。,爱因斯坦不很赞赏互补原理，他崇尚统一、而非补充，爱氏把互补哲学看成为一种绥靖哲学，就此对哥派提出质疑。玻尔当然不认为自己给出的是一种绥靖哲学式的解释，他说明实验上的“一切困难，都可以通过互补原理来消除掉”；同时认真地考虑爱氏批评的意义，由此深入地论证了互补原理确实是一条普遍有效的哲学原理。经过双方反复的论争，爱因斯坦承认互补原理提供了“一条漂亮的捷径”。哥派的观念，主要包括不确定性原理、几率解释、互补原理等，最终成为量子力学的正统解释。,6.2.9薛定谔猫佯谬,薛定谔于1935年设计了“杀猫实验”。把一头猫和一只盛有极毒的氢氰酸的小瓶置于密闭的钢箱里；另有一盖革计数器内放了少许放射性物质，其量甚少，以致在一个小时里可能只有一个原子衰变，也可能不发生衰变。,体系的总体波函数代表猫既活又死的混合状态。这以常识而论是荒谬的，猫似当非死即活。,薛定谔以其“杀猫”的理想实验提出质疑：量子力学并不能预言猫的死和活。哥本哈根学派以为：把箱盖打开观看，即可知猫是死是活。薛定谔以为：猫在开箱之前死活已定，确实与观测者打开箱盖观看这个步骤无关。因为猫是宏观物体，所处之死活状态是确定的非死即活、非活即死，故不必以活态和死态之混合作为它的总体状态。,然而，薛定谔似乎混淆了宏观与微观的界限，他以宏观物体的情况抨击描述微观体系的量子力学的非决定论特征；诚然，他只是以猫作为譬喻罢了。可是，爱因斯坦肯定此譬喻巧妙地反驳了哥派的观点，证明了诸如包含活猫部分和死猫部分那样的波函数“不是物理实在的完备描述”，甚或“并不表示实在的状态，而只是表示我们关于状态知识的容量”；他还指责玻尔关于“凡意欲探究某种与观测无关而独立存在着的东西，即想问猫在对它观察之前的某一特定时刻到底是否活着，都不科学”之说法，认为玻尔是在散布“温和的迷雾”。,其实，“杀猫实验”未必驳倒了哥派的观点，但“猫佯谬”的生动性引起人们对观察、测量问题的广泛兴趣。90年代有人以某种原子（或离子）作为“量子猫”，按薛定谔的设计方案进行“杀猫”实验，已可望这微观尺度的“量子猫”的确处于不同定态的混合态，并通过某实验操作使其按一定的几率跃迁到其中某一定态。此类实验中，观测成为“死态”、“活态”同时兼蓄的“量子猫”得以“死绝”或“全活”的关键；而“量子猫”的统计特征毕露无遗。,爱因斯坦确认能量子为“一种直接的实在”、并将其当成独立于知觉主体之外的微观客体的基本属性，至于从实验仪器观测原子（和亚原子）现象，只是取得对于客体的间接经验；经验与实在是两码事。玻尔把对物理实在的定义作了根本性修改，他的实在即为经验实在，乃以量子概念为修改之基本依据；他强调作用量子的存在，是着眼于引起仪器和客体之间不可消除的有限相互作用，故而将实验观测呈现的原子（和亚原子）现象就认作知觉主体的直接经验，亦即具备固有统计性质的微观物理实在，此实在起始于观测，并不独立于主体之外。,所以说，爱因斯坦等人与哥派的对立，可归结于对物理实在的不同哲学见解；爱因斯坦等人追求物理理论的决定论性时空模型，认为量子力学对于微观客体而言是非完备的理论，哥派则认为量子力学已提供微观物理实在以完备的描述。爱氏就不满足于哥派对量子概念涵义的阐解；以为自己思考了五十年，依然未弄明白光量子究为何物、量子跃迁的机制究竟如何；更会觉得若以量子概念作为理论的主要概念基础，便有违于他的场论研究纲领。,