爱因斯坦和玻尔之争与理想实验
爱因斯坦和玻尔的三次争论作文素材
爱因斯坦和玻尔的三次争论作文素材全文共8篇示例，供读者参考篇1【爱因斯坦和玻尔的三次争论作文素材】大家好,我是小明。
今天老师让我们写一篇关于爱因斯坦和玻尔的三次争论的作文。
我很喜欢学习科学知识,所以很高兴能写这个题目。
爱因斯坦和玻尔,你们听过这两个人吗?他们都是非常了不起的科学家。
爱因斯坦是大名鼎鼎的相对论创始人,玻尔则提出了量子论的理论。
第一次争论第一次争论发生在1920年代初期。
当时爱因斯坦提出了"上帝不掷骰子"的观点,他认为宇宙是遵循着确定性规律运行的。
但玻尔却坚持认为,在微观世界里存在着不确定性。
这次争论中,爱因斯坦持有传统的科学理念,坚信宇宙有一个内在的逻辑秩序。
而玻尔则代表了量子力学的革新思想,主张在微观世界存在着不可预测的随机性。
虽然当时爱因斯坦的声望很高,但玻尔的观点后来被实验所证实,这为量子理论在科学界站稳了脚跟。
第二次争论第二次争论发生在1927年。
那一年,爱因斯坦提出了一个著名的"EPR佯谬",试图找出量子理论的漏洞。
EPR佯谬描述了一种纠缠态的情况,爱因斯坦认为这种情况违背了相对论中"信息不能以超光速传播"的原理。
玻尔当时并没有直接回应爱因斯坦的挑战。
直到1935年,他提出了"量子不可分割性"来反驳EPR佯谬。
玻尔指出,在量子系统中,我们无法确定单个粒子的性质,只有将整个系统看作一个不可分割的整体才有意义。
这场争论虽然爱因斯坦占了先机,但后来被证实是玻尔更加正确。
这次争论进一步巩固了量子论的地位。
第三次争论第三次争论持续到1949年爱因斯坦去世。
这次争论的焦点是统一场论。
爱因斯坦希望能找到一个统一所有基本力(包括引力)的理论,但一直没有成功。
而玻尔则更关注量子论的发展和应用。
他指出量子力学只是一个统计理论,不可能完全描述微观世界的确定性运动过程。
在这场争论中,两人都没有说服对方。
但事实证明,量子理论在微观世界有着巨大的解释力和应用前景。
物理学史上三次著名的科学争论
物理学史上三次著名的科学争论一、对热的本性的认识对热的本性的认识，在历史上有“热质说”与“热的运动说”之争，其间经历了两百余年．直到19世纪中叶热力学第一定律确立，热的运动说才获得决定性的胜利．热是组成物体的粒子的运动这一学说，使得热和机械功的等效性在概念上是可以理解的，并为机械功和热的相互转化提供了一个解释的基础，也为气体动理论奠定了基础．1 热的运动说17世纪初，英国哲学家培根从摩擦生热等现象中得出“热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体的较小粒子之上的运动”，这种看法影响了许多科学家．英国物理学家波意耳看到铁钉捶击后会生热，想到铁钉内部产生了强烈的运动，所以认为热是“物体各部分发生的强烈而杂乱的运动．”胡克用显微镜观察了火花，认为热“并不是什么其他的东西，而是一个物体的各个部分的非常活跃的和极其猛烈的运动．”牛顿也指出物体的粒子“因运动而发热．”洛克甚至还认识到“极度的冷是不可觉察的粒子的运动的停止．”俄国学者罗蒙诺索夫在18世纪40年代提出了如下的见解：“热的充分根源在于运动”，即热是物质的运动，运动着的是物体内部那些为肉眼所看不见的细小微粒．他认为热量从高温物体传给低温物体的原因是由于高温物体中的微粒把运动传给低温物体中的微粒造成的，它自身便会变冷．这些分析肯定了运动守恒在热现象中的正确性，表明了气体分子的运动呈现一种“混乱交错”的状态，是杂乱无规则的．但总的说来，当时热是运动的观点尚缺乏足够的实验根据，所以还不能形成为科学理论．2 热质说的提出随着古希腊原子论思想的复兴，热是某种特殊的物质实体的观点也得以流传．法国科学家和哲学家伽桑狄认为，运动着的原子是构成万物的最原始的、不可再分的世界要素，同样，热和冷也都是由特殊的“热原子”和“冷原子”引起的．它们非常细致，具有球的形状，又非常活泼，因而能渗透到一切物体之中．这个观念把人们引向“热质说”，认为热是由无重量的某种特殊物质组成的．热质说的主要倡导者，英国化学家布莱克主张把热和温度两个概念区分开来．他引进了“热容”的概念，得出了量热学的基本公式ΔQ＝cmΔt．其中c 称为比热，表示单位质量物质温度升高1Ｋ所吸收的热量．他在研究冰和水的混合时发现，在冰的熔解中需要一些温度计觉察不出的热量，进而发现各种物质在发生物态变化时都存在这种效应，他由此引进了“潜热”的概念，指出使冰熔解的过程是潜热发生的过程，使水凝固的过程是潜热移出的过程．在热质说观点指引下，热学研究取得了一定的进展．在18世纪前半叶人们开始明白一个有意义的事实：在对混合物所做的实验中，亦即把温度不同的诸物体放到一起，热既不会被创生也不会被消灭．这就是说，不管热在混合物或保持密切接触的各种不同物体中间如何重新分布，热的总量保持不变．现在可以将这条热量守恒定律表述为：在一个不受外界影响的绝热系统中，物体A失去的热量等于物体B得到的热量，即 ΔＱＡ＋ΔＱＢ＝０．这样一个热量守恒定律非常自然地使人联想到物质守恒的概念，有力地使热质说的观点占了上风．事实上，热质说对热传导现象给出了一个简单的可信的图像，即剩余的热质要从较热的物体不断地流向较冷的物体，直到达到平衡状态为止．而用那种把热视为粒子运动方式的观点来说明这一观察的结果确实很困难．除此之外，热质说还简易地解释了当时发现的大部分热学现象，比如物体温度的变化是吸收或放出热质引起的，对流是载有热质的物体的流动，辐射是热质传播，物体受热膨胀是因为热质粒子间的相互排斥，等等．热质说的成功，自18世纪80年代起几乎使整个欧洲都相信了热质说的正确性，从而压倒了热的运动说．但是，热质说对热学的发展又起着严重的阻碍作用．既然把热看成一种物质，而不是物质的一种运动形态，那就不可能有各种物质运动形态的转化．在热质说看来，摩擦所以生热，只是由于摩擦把“潜热”挤压出来，使潜热变成显热，使摩擦后物体的比热比摩擦前小，所以温度升高，而热质的量并没有增加．因此，在热质说占统治地位的18世纪，人们就不可能正确理解由蒸汽机的发明所揭示的热和机械运动之间的关系．３．运动说的复兴到了18世纪末，热质说受到了严重的挑战．随着实验材料的增多，越来越表明热质说不能说明物体因摩擦力做功而生热的现象．1798年英国物理学家伦福德伯爵向英国皇家学会提出了一个报告“论摩擦激起的热源”，说他在慕尼黑兵工厂监督大炮镗孔工作时，注意到炮筒温度升高，钻削下的金属温度更高，他提出了大量的热是从哪里来的这个问题．他敏锐地感觉到彻底研究这一课题，对热的本质可望获得进一步认识，从而对于热质存在与否这个自古以来哲学家们众说不一的问题做出合理的推测．接着，他写道：“热是否来自钻腔机所切开的金属片？如果情形的确是这样的话，那么根据现代的潜热和热质学说，则金属片的热容不仅应该变化，而且此变化还应该大到足以成为产生所有热的源泉．”但是，他通过在绝热条件下所做的一系列钻孔实验，比较了钻孔前后金属和碎屑的比热，发现钻削不会改变金属的比热．他还用很钝的钻头钻炮筒，半小时后炮筒升高70°F，金属碎屑只有54ｇ，相当于炮筒质量的1／948，这一小部分的碎屑能够放出这么大的“潜热”吗？于是，他做出结论：“这些实验所产生的热，不是来自金属的潜热或综合热质．”他在论文的末尾写道：“看来在这些实验中，由摩擦产生热的源泉是不可穷尽的．不待说，任何与外界隔绝的物体或物体系，能够无限制提供出来的东西，决不可能是具体的物质实体；在我看来，在这些实验中被激出来的热，除了把它看做是运动以外，似乎很难把它看做是其他任何东西．”1799年，英国化学家戴维在论文中描述了实验：在一个同周围环境隔离开来的真空容器里，利用钟表机件使里面的29°F的两块冰互相摩擦而熔解为水．他在论文中写道：“如果热是一种物质的话，它一定是从这几种方式之一产生的：或者是由于冰的热容减少，或者是两物体的氧化，或者是从周围的物体吸引了热质．”可是明显的事实是，水的热容比冰的热容大得多，而冰一定要加上一定量的热才能变成水，所以摩擦并没有减少冰的热容．“也不是由于物体氧化引起的，因为冰根本不能吸引氧气．”最后，他得出结论：“既然这些实验表明，这几种方式不能产生热质，那么，即就不能当做物质．所以，热质是不存在的．”他明确指出热是物体微粒的运动．他说：物体因摩擦而膨胀，则很明显，它们的微粒一定会运动或相互分离．既然物体微粒的运动或振动是摩擦和撞击必然产生的结果，那么，我们就可以做出合理的结论：热是物体微粒的运动或振动．伦福德和戴维的实验与论证是令人信服的，可以说为以后热质说的最终崩溃和热的运动说的确立提供了最早的论据．但他们的实验在当时没有被人们所重视，大多数学者并没有因此而改变自己关于热的本性的观点．这个问题一直到19世纪热力学第一定律问世时，才真正得到解决．二、光的微粒说与波动说的论争光学是一门最古老的物理学分支之一．光的本性问题一直是人们十分关心和热衷探讨的问题．17世纪以来，随着科学技术的发展，这种争论达到了空前激烈的地步，也就是物理学史上著名的微粒说与波动说之争．１．根深蒂固的微粒说１７世纪的科学巨匠牛顿，也是光学大师，关于光的本性，牛顿是这样认为的：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，这就是光的微粒说．牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象．由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持．但是，微粒说并不是“万能”的，比如，它无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时，为什么光线并不是永远走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象．为了解释这些现象，和牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯，提出了与微粒说相对立的波动说．惠更斯认为光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊的叫做“以太”的弹性媒质来传播的现象．波动说不但解释了几束光线在空间相遇不发生干扰而独立传播，而且解释了光的反射和折射现象，不过在解释折射现象时，惠更斯假设光在水中的速度小于在空气中的速度，这与牛顿的解释正好相反．谁是谁非，拉开了近代科学史上关于光究竟是粒子还是波动的激烈论争的序幕．尽管波动说可以解释不少光学现象，但由于它很不完善，解释不了人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题，所以没有得到广泛的支持．再加上当时受实验条件的限制，还无法测出水中的光速，便无法判断牛顿和惠更斯关于折射现象的假设谁对谁错．尤其是牛顿在学术界久负盛名，他的拥护者对波动说横加指责，全盘否定，终于把波动说压了下去，致使它在很长时间内几乎销声匿迹．而微粒说盛极一时，居然在光学界称雄整个18世纪．2．英姿焕发的波动说进入19世纪以后，曾被微粒说压得奄奄一息的波动说重新活跃起来．一个个崭新的实验事实，使波动说雄姿英发，应付自如，进入了一个“英雄时期”．第一位向微粒说发起冲击的是牛顿的同胞托马斯•杨．1801年，年轻的托马斯•杨一针见血地说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得认为他是百无一失的．我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威也许有时阻碍了科学的进步．”托马斯•杨为了证明光是一种波，他在暗室中做了一个举世闻名的光的干涉实验．我们知道，干涉现象是波动的一个特性，托马斯•杨的成功，证明了光确实是一种波，它只有用波动说才能解释，微粒说对此一筹莫展．给微粒说以沉重打击的第二个实验是光的衍射实验．衍射现象也是波的基本特性之一，这是一种波在传播过程中可以绕过障碍物，或穿过小孔、狭缝而不沿直线传播的现象．法国物理学家菲涅尔设计了一个实验，成功地演示了明暗相间的衍射图样，在微粒说看来，光的衍射现象则是不可理解的．给微粒说以致命打击的是对光速值的精确测定．牛顿和惠更斯在解释光的折射现象时，对于水中光速的假设是截然相反的，谁是谁非，难以证实．到了19世纪中叶，法国物理学家菲索和付科，分别采用高速旋转的齿轮和镜子，先后精确地测出光在水中的传播速度只有空气中速度的四分之三．又一次证明了波动说的正确性．经过反复较量，波动说终于压过了微粒说，取得了稳固的地位．到19世纪60年代，麦克斯韦总结了电磁现象的基本规律，建立了光的电磁理论．到80年代，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，并证明电磁波确实同光一样，能够产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象．利用光的电磁说，对于以前发现的各种光学现象，都可以做出圆满的解释．这一切使波动说锦上添花，使它在同微粒说的论战中，取得了无可争辩的胜利．3 重整旗鼓的微粒说正当波动说欢庆胜利的时候，意外的事情发生了，以太存在的否定和光电效应的发现，这些新的实验事实又一次要置波动说于死地．波动说认为，光是依靠充满于整个空间的连续介质——以太做弹性机械振动传播的．为了验证以太的存在，1887年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷使用当时最精密的仪器，设计了一个精巧的实验．结果证明，地球周围根本不存在什么机械以太．没有以太，光波和电磁波是怎样传播的呢？面对这一波动说难以克服的困难，微粒说跃跃欲试．光电效应的发现，使微粒说再次“复辟登基”．所谓光电效应，就是指金属在光的照射下，从金属表面释放出电子的现象，所释放的电子叫做光电子．大量的实验证明，光电效应的发生，只跟入射光的频率有关，只要入射光的频率足够高，不管它强度多弱，一旦照射到金属上，立刻就有光电子飞出．而从波动说的观点看，光电效应是绝对无法理解的．因此，波动说完全陷入了困境．而爱因斯坦运用光量子说——全新意义上的微粒说，把光电效应解释得一清二楚．至此，光的微粒说又昂首挺胸．活跃在科学的舞台上．但是，爱因斯坦并没有抛弃波动说，而是把二者巧妙地结合在一起，并辨证地指出：“光——同时又是波，又是粒子，是连续的，又是不连续的．自然界喜欢矛盾……”，这一思想充分体现在他的光量子理论的两个基本方程Ｅ＝ｈν和ｐ＝(ｈ/λ)中，把粒子和波紧密地联系在一起．三、爱因斯坦与玻尔的历史性论争20世纪最伟大的两位物理学家阿尔伯特•爱因斯坦和尼尔斯•玻尔对于量子力学的创立与发展，都做出了重大的贡献．有趣的是，在1927年9月科漠国际物理会议上，当玻尔正式提出了他有名的“互补原理”之后，受到了爱因斯坦的强烈反对．从此，这两位同时代、同行业的科学巨星，直到他们死去之前，共进行了近40年具有浓厚哲学色彩的大争论．即使是现在，仍可感到这一争论对现代物理学理论基础研究所产生的冲击．１．论争的渊源提及这场大争论，首先得从哥本哈根学派说起．在20世纪20年代，丹麦著名物理学家玻尔在哥本哈根理论物理研究所以其严谨的治学作风、尊重他人首创精神的领导作风，吸引了大批对量子物理学有着基本相同的理解的科学家，成为当时世界上力量最雄厚的物理学派．诸如，海森伯、泡利、狄拉克等年轻的物理学家都先后在这里工作着，其中，玻尔对海森伯提出的测不准关系非常赞赏．1927年9月在意大利科漠召开的国际物理学会议上，玻尔提出了著名的“互补原理”，从哲学上对测不准关系加以概括，用以解释量子理解的基本特征——波粒二象性．这一著名的互补原理，被称之为量子力学的哥本哈根解释，正是这一解释受到了爱因斯坦的尖锐批评，从而拉开了这场大争论的序幕．2 论争的过程爱因斯坦与玻尔的论战持续了近40年之久，很令人瞩目．论战的内容是围绕着关于量子力学理论的特征和基本概念的解释问题，而这些问题又都属于哲学的领域，所以，争论的实质就是围绕着量子力学的方法论原理及其哲学诠释．论战曲折迂回，高潮迭起，大致分成两个阶段．(1)论战的第一阶段1927年科漠会议上玻尔提出“互补原理”，对量子力学第一次作了互补解释，玻尔是这样认为的：量子力学理论是一种以能量为动量的统计守恒为基础的纯几率观点，量子力学的规律具有统计性质．并且，他主张在量子物理中应当抛弃因果性和决定论的概念，而代之以互补原理．1927年10月，第五次索尔维国际物理学讨论会在布鲁塞尔召开，爱因斯坦在会上发言，第一次在公开场合下对量子力学的发展表示不满．他反对抛弃严格的因果性和决定论的概念，坚持基本理论不应当是统计性的，他认为在几率解释的后面应当有更深一层的关系，应当能够揭示微观世界的因果性联系，所以他在会议上支持德布罗意的导波理论．为了揭露量子力学理论的逻辑矛盾性，从而否定测不准关系，爱因斯坦还精心设计了一系列的理想实验，企图驳倒玻尔，玻尔据理力争，一次次巧妙地摆脱了困境．例如，爱因斯坦设计了一个可以称重量，且有可控快门的光箱子实验，并以此来否定能量对时间的测不准关系．而对此严重的挑战，玻尔经过一个不眠之夜的紧张思考，终于喜出望外地发现．可以“以其人之道还治其人之身”的办法回击爱因斯坦，即利用爱因斯坦广义相对论中时钟速率与引力势的关系，驳倒了爱因斯坦的挑战．因此，爱因斯坦不得不承认量子力学的逻辑一贯性．（2）论战的第二阶段当爱因斯坦试图从逻辑上反驳哥本哈根学派而遭受挫折后，便放弃了这方面的努力，转而集中于批评量子力学理论的不完备性．1931年2月26日，爱因斯坦等三人合作发表了“量子力学中过去和未来的知识”的文章，认为测不准关系式并不能提供量子力学的过去的确定知识．从而拉开了进一步的论战．1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森一起发表了题为“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？”一文，提出了著名的以他们三人姓名头一个字母命名的“EPR 悖论”，使这场论战再次出现了高峰．文章首先提出了理论的完备性和实在性的定义，并建立了一种“非此即彼”的抉择关系，即量子力学理论如果是完备的，则不可对易算子所表征的物理量不同时为实在；或者相反，如果理论是不完备的，则物理量同时为实在．其次，文章证明，如果波函数所提供的描述是完备的，那么所涉及的不可对易量必定是实在的．而根据前面所建立的“非此即彼”抉择关系，不难看出，其唯一可能的结论是波函数所提供的描述为不完备的．爱因斯坦等人通过对两个相干系统的分析，做到了不仅是完成了逻辑上的诘难，而且还具体地构造了一个满足“排除了干扰的测量”的要求的体系，用以说明量子力学对物理实在的描述是不完备的．这称之为“EPR悖论”．EPR悖论逻辑结构是十分严密的，要进行反驳是极其不易的．但EPR悖论中所提出的定义及观点，又必须最后诉诸“测定”，既然还有赖于测量，那就恰好为玻尔的反驳提供了突破点．1935年10月，玻尔以相同的标题公开回答了上述诸难．指出既然EPR的作者在“实在性”的定义中谈论了测量，那么就不应该把测量操作与被测对象割裂开来讨论，而必须把现象同获取现象的条件以及器械包括在内进行描述．所以，玻尔在文章中运用一种更为一般的方式构造了EPR的两粒子体系，使它们恰好满足EPR所设想的情形．玻尔列举了一个粒子穿过一窄缝的实验，并指出EPR 诘难中对所需物理量的测量及计算所显示的在选择上的任意性，取决于实验装置的设置．所以，“排除一切干扰”的前提，对实验的要求是含糊的．为了进一步说明上述思想，玻尔把量子力学与经典物理学中的观察予以比较．他指出：在量子物理学中，对象与测量仪器之间的相互作用是量子现象中不可分的组成部分，从而对象与测量仪器构成一个不可分割的整体．由此可见，玻尔提出的量子现象的整体性特征，是对于EPR所默认的定域性假设的否定，也是对于EPR实在性判据的否定．这样，玻尔采用了抛弃EPR的逻辑前提，代之以确认量子现象的整体性特征的手段，拯救了量子描述的完全性．3 论战的启示现在，爱因斯坦和玻尔虽然去世了，但他们之间为了探索科学真理而进行的论战，却推动着量子物理学深入发展；它一步步地揭示了量子力学的本质含义，前期的争论确立了量子力学及正统解释的逻辑自洽性；后期的争论则揭示了量子现象的整体性特征，同时更明确地提出了量子力学的理论地位问题．但是，两位大师的争论以分道扬镳而告终，这说明：这一争论对现代物理学理论基础的研究带来了冲击，就这个意义而言，这场争论还远远没有结束，它将激励着人们去重新审查现代物理学理论基础的分理解状况，寻找把这两个理论真正统一起来的途径，以促进物理学的进一步深入发展．除此之外，这场论战还给后人留下了十分有益的启示．首先，它说明学术上的争论有利于促进科学理论的发展；其次，学术争论的唯一正确态度就是坚持百家争鸣；再次，自然科学需要正确的哲学作指导．这一场发生于爱因斯坦和玻尔为代表的20世纪最伟大的两位物理学家之间的论战，是科学史上持续长久而激烈的著名的论战之一，它一直延续到今天，影响深远．。
爱因斯坦和玻尔的论战
1949年是爱因斯坦七十诞辰之年。
这一年，美国出版界组织了一些哲学家和物理学家撰写庆贺爱因斯坦七十寿辰的论文。
玻尔也被激参加撰写。
玻尔写的论文显得非常奇特，几乎令人感到与"庆贺"极不协调。
他在论文中阐述了他和爱因斯坦之间的争论，并证明爱因斯坦每次提出的思想实验都是错误的。
当然，玻尔仍然象历来所强调的一样，再次指出爱因斯坦提的问题是极卓越和极宝贵的，它们对量子力学的迅速发展起了极重大的作用。
论文集最后一篇文章是爱因斯坦的致答文。
在答文中，爱因斯坦仍然坚持自己一贯的观点，并对玻尔的观点又一次进行批驳。
这种庆贺文集，在世界上大约是绝无仅有的吧！不过，在文章的末尾、爱因斯坦总算说了几句客气话："我……感到……有点尖锐。
不过，下面的说法可作为我的辩解：人们只会同他的兄弟或者亲密的朋友发生真正的争吵；至于别人，那就不会争吵的。
" 看来，爱因斯坦和玻尔这两位科学巨擘之间的争论，一定是异乎寻常的激烈，不然的话是决不会在祝寿时都不放过。
那么，他们是为什么事情争论呢？结果又是谁是谁非呢？由于牵涉到很古老但又很难回答的哲学问题，所以下面的简略回顾，多半只论及比较具体的科学内容，至于其中隐含的哲学内容，则只能浅涉一点点。
爱因斯坦与玻尔的争论，是物理学史上持续时间最长、争论最激烈和最富有哲学意义的争论之一。
他们间的争论开始于1920年4月，这次争论的具体内容在本书有关玻尔那一节曾有过描述。
玻尔虽然在争论中因企图放弃能量守恒的普适性而被证明是错误的一方，但玻尔强调要同经典物理观念作彻底决裂的说法，后来被证明是很正确的。
此后，在玻尔身边集结了一批极有才华而又具有极强批判能力的年青人，他们在玻尔的领导下，使量子力学取得了长足的进展。
1926年6月，德国物理学家玻恩提出了波函数的统计解释。
这一解释的主要精神是说由量子力学波动方程求解，只能得到运动过程一个确定的几率，而不能再象牛顿力学那样给出确定的值。
物理学史上三次著名的科学争论
物理学史上三次著名的科学争论一、对热的本性的认识对热的本性的认识,在历史上有“热质说”与“热的运动说”之争,其间经历了两百余年．直到19世纪中叶热力学第一定律确立,热的运动说才获得决定性的胜利．热是组成物体的粒子的运动这一学说,使得热和机械功的等效性在概念上是可以理解的,并为机械功和热的相互转化提供了一个解释的基础,也为气体动理论奠定了基础．1热的运动说17世纪初,英国哲学家培根从摩擦生热等现象中得出“热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体的较小粒子之上的运动”,这种看法影响了许多科学家．英国物理学家波意耳看到铁钉捶击后会生热,想到铁钉内部产生了强烈的运动,所以认为热是“物体各部分发生的强烈而杂乱的运动．”胡克用显微镜观察了火花,认为热“并不是什么其他的东西,而是一个物体的各个部分的非常活跃的和极其猛烈的运动．”牛顿也指出物体的粒子“因运动而发热．”洛克甚至还认识到“极度的冷是不可觉察的粒子的运动的停止．”俄国学者罗蒙诺索夫在18世纪40年代提出了如下的见解：“热的充分根源在于运动”,即热是物质的运动,运动着的是物体内部那些为肉眼所看不见的细小微粒．他认为热量从高温物体传给低温物体的原因是由于高温物体中的微粒把运动传给低温物体中的微粒造成的,它自身便会变冷．这些分析肯定了运动守恒在热现象中的正确性,表明了气体分子的运动呈现一种“混乱交错”的状态,是杂乱无规则的．但总的说来,当时热是运动的观点尚缺乏足够的实验根据,所以还不能形成为科学理论．2热质说的提出随着古希腊原子论思想的复兴,热是某种特殊的物质实体的观点也得以流传．法国科学家和哲学家伽桑狄认为,运动着的原子是构成万物的最原始的、不可再分的世界要素,同样,热和冷也都是由特殊的“热原子”和“冷原子”引起的．它们非常细致,具有球的形状,又非常活泼,因而能渗透到一切物体之中．这个观念把人们引向“热质说”,认为热是由无重量的某种特殊物质组成的．热质说的主要倡导者,英国化学家布莱克主张把热和温度两个概念区分开来．他引进了“热容”的概念,得出了量热学的基本公式ΔQ＝cmΔt．其中c称为比热,表示单位质量物质温度升高1Ｋ所吸收的热量．他在研究冰和水的混合时发现,在冰的熔解中需要一些温度计觉察不出的热量,进而发现各种物质在发生物态变化时都存在这种效应,他由此引进了“潜热”的概念,指出使冰熔解的过程是潜热发生的过程,使水凝固的过程是潜热移出的过程．在热质说观点指引下,热学研究取得了一定的进展．在18世纪前半叶人们开始明白一个有意义的事实：在对混合物所做的实验中,亦即把温度不同的诸物体放到一起,热既不会被创生也不会被消灭．这就是说,不管热在混合物或保持密切接触的各种不同物体中间如何重新分布,热的总量保持不变．现在可以将这条热量守恒定律表述为：在一个不受外界影响的绝热系统中,物体A失去的热量等于物体B得到的热量,即ΔＱＡ＋ΔＱＢ＝０．这样一个热量守恒定律非常自然地使人联想到物质守恒的概念,有力地使热质说的观点占了上风．事实上,热质说对热传导现象给出了一个简单的可信的图像,即剩余的热质要从较热的物体不断地流向较冷的物体,直到达到平衡状态为止．而用那种把热视为粒子运动方式的观点来说明这一观察的结果确实很困难．除此之外,热质说还简易地解释了当时发现的大部分热学现象,比如物体温度的变化是吸收或放出热质引起的,对流是载有热质的物体的流动,辐射是热质传播,物体受热膨胀是因为热质粒子间的相互排斥,等等．热质说的成功,自18世纪80年代起几乎使整个欧洲都相信了热质说的正确性,从而压倒了热的运动说．但是,热质说对热学的发展又起着严重的阻碍作用．既然把热看成一种物质,而不是物质的一种运动形态,那就不可能有各种物质运动形态的转化．在热质说看来,摩擦所以生热,只是由于摩擦把“潜热”挤压出来,使潜热变成显热,使摩擦后物体的比热比摩擦前小,所以温度升高,而热质的量并没有增加．因此,在热质说占统治地位的18世纪,人们就不可能正确理解由蒸汽机的发明所揭示的热和机械运动之间的关系．３．运动说的复兴到了18世纪末,热质说受到了严重的挑战．随着实验材料的增多,越来越表明热质说不能说明物体因摩擦力做功而生热的现象．1798年英国物理学家伦福德伯爵向英国皇家学会提出了一个报告“论摩擦激起的热源”,说他在慕尼黑兵工厂监督大炮镗孔工作时,注意到炮筒温度升高,钻削下的金属温度更高,他提出了大量的热是从哪里来的这个问题．他敏锐地感觉到彻底研究这一课题,对热的本质可望获得进一步认识,从而对于热质存在与否这个自古以来哲学家们众说不一的问题做出合理的推测．接着,他写道：“热是否来自钻腔机所切开的金属片如果情形的确是这样的话,那么根据现代的潜热和热质学说,则金属片的热容不仅应该变化,而且此变化还应该大到足以成为产生所有热的源泉．”但是,他通过在绝热条件下所做的一系列钻孔实验,比较了钻孔前后金属和碎屑的比热,发现钻削不会改变金属的比热．他还用很钝的钻头钻炮筒,半小时后炮筒升高70°F,金属碎屑只有54ｇ,相当于炮筒质量的1／948,这一小部分的碎屑能够放出这么大的“潜热”吗于是,他做出结论：“这些实验所产生的热,不是来自金属的潜热或综合热质．”他在论文的末尾写道：“看来在这些实验中,由摩擦产生热的源泉是不可穷尽的．不待说,任何与外界隔绝的物体或物体系,能够无限制提供出来的东西,决不可能是具体的物质实体；在我看来,在这些实验中被激出来的热,除了把它看做是运动以外,似乎很难把它看做是其他任何东西．”1799年,英国化学家戴维在论文中描述了实验：在一个同周围环境隔离开来的真空容器里,利用钟表机件使里面的29°F的两块冰互相摩擦而熔解为水．他在论文中写道：“如果热是一种物质的话,它一定是从这几种方式之一产生的：或者是由于冰的热容减少,或者是两物体的氧化,或者是从周围的物体吸引了热质．”可是明显的事实是,水的热容比冰的热容大得多,而冰一定要加上一定量的热才能变成水,所以摩擦并没有减少冰的热容．“也不是由于物体氧化引起的,因为冰根本不能吸引氧气．”最后,他得出结论：“既然这些实验表明,这几种方式不能产生热质,那么,即就不能当做物质．所以,热质是不存在的．”他明确指出热是物体微粒的运动．他说：物体因摩擦而膨胀,则很明显,它们的微粒一定会运动或相互分离．既然物体微粒的运动或振动是摩擦和撞击必然产生的结果,那么,我们就可以做出合理的结论：热是物体微粒的运动或振动．伦福德和戴维的实验与论证是令人信服的,可以说为以后热质说的最终崩溃和热的运动说的确立提供了最早的论据．但他们的实验在当时没有被人们所重视,大多数学者并没有因此而改变自己关于热的本性的观点．这个问题一直到19世纪热力学第一定律问世时,才真正得到解决．二、光的微粒说与波动说的论争光学是一门最古老的物理学分支之一．光的本性问题一直是人们十分关心和热衷探讨的问题．17世纪以来,随着科学技术的发展,这种争论达到了空前激烈的地步,也就是物理学史上著名的微粒说与波动说之争．１．根深蒂固的微粒说１７世纪的科学巨匠牛顿,也是光学大师,关于光的本性,牛顿是这样认为的：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流,发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流,一旦这些光粒子进入人的眼睛,冲击视网膜,就引起了视觉,这就是光的微粒说．牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象．由于微粒说通俗易懂,又能解释常见的一些光学现象,所以很快获得了人们的承认和支持．但是,微粒说并不是“万能”的,比如,它无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时,为什么光线并不是永远走直线,而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象．为了解释这些现象,和牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯,提出了与微粒说相对立的波动说．惠更斯认为光是一种机械波,由发光物体振动引起,依靠一种特殊的叫做“以太”的弹性媒质来传播的现象．波动说不但解释了几束光线在空间相遇不发生干扰而独立传播,而且解释了光的反射和折射现象,不过在解释折射现象时,惠更斯假设光在水中的速度小于在空气中的速度,这与牛顿的解释正好相反．谁是谁非,拉开了近代科学史上关于光究竟是粒子还是波动的激烈论争的序幕．尽管波动说可以解释不少光学现象,但由于它很不完善,解释不了人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题,所以没有得到广泛的支持．再加上当时受实验条件的限制,还无法测出水中的光速,便无法判断牛顿和惠更斯关于折射现象的假设谁对谁错．尤其是牛顿在学术界久负盛名,他的拥护者对波动说横加指责,全盘否定,终于把波动说压了下去,致使它在很长时间内几乎销声匿迹．而微粒说盛极一时,居然在光学界称雄整个18世纪．2．英姿焕发的波动说进入19世纪以后,曾被微粒说压得奄奄一息的波动说重新活跃起来．一个个崭新的实验事实,使波动说雄姿英发,应付自如,进入了一个“英雄时期”．第一位向微粒说发起冲击的是牛顿的同胞托马斯•杨．1801年,年轻的托马斯•杨一针见血地说：“尽管我仰慕牛顿的大名,但我并不因此非得认为他是百无一失的．我遗憾地看到,他也会弄错,而他的权威也许有时阻碍了科学的进步．”托马斯•杨为了证明光是一种波,他在暗室中做了一个举世闻名的光的干涉实验．我们知道,干涉现象是波动的一个特性,托马斯•杨的成功,证明了光确实是一种波,它只有用波动说才能解释,微粒说对此一筹莫展．给微粒说以沉重打击的第二个实验是光的衍射实验．衍射现象也是波的基本特性之一,这是一种波在传播过程中可以绕过障碍物,或穿过小孔、狭缝而不沿直线传播的现象．法国物理学家菲涅尔设计了一个实验,成功地演示了明暗相间的衍射图样,在微粒说看来,光的衍射现象则是不可理解的．给微粒说以致命打击的是对光速值的精确测定．牛顿和惠更斯在解释光的折射现象时,对于水中光速的假设是截然相反的,谁是谁非,难以证实．到了19世纪中叶,法国物理学家菲索和付科,分别采用高速旋转的齿轮和镜子,先后精确地测出光在水中的传播速度只有空气中速度的四分之三．又一次证明了波动说的正确性．经过反复较量,波动说终于压过了微粒说,取得了稳固的地位．到19世纪60年代,麦克斯韦总结了电磁现象的基本规律,建立了光的电磁理论．到80年代,赫兹通过实验证实了电磁波的存在,并证明电磁波确实同光一样,能够产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象．利用光的电磁说,对于以前发现的各种光学现象,都可以做出圆满的解释．这一切使波动说锦上添花,使它在同微粒说的论战中,取得了无可争辩的胜利．3重整旗鼓的微粒说正当波动说欢庆胜利的时候,意外的事情发生了,以太存在的否定和光电效应的发现,这些新的实验事实又一次要置波动说于死地．波动说认为,光是依靠充满于整个空间的连续介质——以太做弹性机械振动传播的．为了验证以太的存在,1887年,美国物理学家迈克尔逊和莫雷使用当时最精密的仪器,设计了一个精巧的实验．结果证明,地球周围根本不存在什么机械以太．没有以太,光波和电磁波是怎样传播的呢面对这一波动说难以克服的困难,微粒说跃跃欲试．光电效应的发现,使微粒说再次“复辟登基”．所谓光电效应,就是指金属在光的照射下,从金属表面释放出电子的现象,所释放的电子叫做光电子．大量的实验证明,光电效应的发生,只跟入射光的频率有关,只要入射光的频率足够高,不管它强度多弱,一旦照射到金属上,立刻就有光电子飞出．而从波动说的观点看,光电效应是绝对无法理解的．因此,波动说完全陷入了困境．而爱因斯坦运用光量子说——全新意义上的微粒说,把光电效应解释得一清二楚．至此,光的微粒说又昂首挺胸．活跃在科学的舞台上．但是,爱因斯坦并没有抛弃波动说,而是把二者巧妙地结合在一起,并辨证地指出：“光——同时又是波,又是粒子,是连续的,又是不连续的．自然界喜欢矛盾……”,这一思想充分体现在他的光量子理论的两个基本方程Ｅ＝ｈν和ｐ＝ｈ/λ中,把粒子和波紧密地联系在一起．三、爱因斯坦与玻尔的历史性论争20世纪最伟大的两位物理学家阿尔伯特•爱因斯坦和尼尔斯•玻尔对于量子力学的创立与发展,都做出了重大的贡献．有趣的是,在1927年9月科漠国际物理会议上,当玻尔正式提出了他有名的“互补原理”之后,受到了爱因斯坦的强烈反对．从此,这两位同时代、同行业的科学巨星,直到他们死去之前,共进行了近40年具有浓厚哲学色彩的大争论．即使是现在,仍可感到这一争论对现代物理学理论基础研究所产生的冲击．１．论争的渊源提及这场大争论,首先得从哥本哈根学派说起．在20世纪20年代,丹麦著名物理学家玻尔在哥本哈根理论物理研究所以其严谨的治学作风、尊重他人首创精神的领导作风,吸引了大批对量子物理学有着基本相同的理解的科学家,成为当时世界上力量最雄厚的物理学派．诸如,海森伯、泡利、狄拉克等年轻的物理学家都先后在这里工作着,其中,玻尔对海森伯提出的测不准关系非常赞赏．1927年9月在意大利科漠召开的国际物理学会议上,玻尔提出了著名的“互补原理”,从哲学上对测不准关系加以概括,用以解释量子理解的基本特征——波粒二象性．这一著名的互补原理,被称之为量子力学的哥本哈根解释,正是这一解释受到了爱因斯坦的尖锐批评,从而拉开了这场大争论的序幕．2论争的过程爱因斯坦与玻尔的论战持续了近40年之久,很令人瞩目．论战的内容是围绕着关于量子力学理论的特征和基本概念的解释问题,而这些问题又都属于哲学的领域,所以,争论的实质就是围绕着量子力学的方法论原理及其哲学诠释．论战曲折迂回,高潮迭起,大致分成两个阶段．1论战的第一阶段1927年科漠会议上玻尔提出“互补原理”,对量子力学第一次作了互补解释,玻尔是这样认为的：量子力学理论是一种以能量为动量的统计守恒为基础的纯几率观点,量子力学的规律具有统计性质．并且,他主张在量子物理中应当抛弃因果性和决定论的概念,而代之以互补原理．1927年10月,第五次索尔维国际物理学讨论会在布鲁塞尔召开,爱因斯坦在会上发言,第一次在公开场合下对量子力学的发展表示不满．他反对抛弃严格的因果性和决定论的概念,坚持基本理论不应当是统计性的,他认为在几率解释的后面应当有更深一层的关系,应当能够揭示微观世界的因果性联系,所以他在会议上支持德布罗意的导波理论．为了揭露量子力学理论的逻辑矛盾性,从而否定测不准关系,爱因斯坦还精心设计了一系列的理想实验,企图驳倒玻尔,玻尔据理力争,一次次巧妙地摆脱了困境．例如,爱因斯坦设计了一个可以称重量,且有可控快门的光箱子实验,并以此来否定能量对时间的测不准关系．而对此严重的挑战,玻尔经过一个不眠之夜的紧张思考,终于喜出望外地发现．可以“以其人之道还治其人之身”的办法回击爱因斯坦,即利用爱因斯坦广义相对论中时钟速率与引力势的关系,驳倒了爱因斯坦的挑战．因此,爱因斯坦不得不承认量子力学的逻辑一贯性．2论战的第二阶段当爱因斯坦试图从逻辑上反驳哥本哈根学派而遭受挫折后,便放弃了这方面的努力,转而集中于批评量子力学理论的不完备性．1931年2月26日,爱因斯坦等三人合作发表了“量子力学中过去和未来的知识”的文章,认为测不准关系式并不能提供量子力学的过去的确定知识．从而拉开了进一步的论战．1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森一起发表了题为“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗”一文,提出了著名的以他们三人姓名头一个字母命名的“EPR悖论”,使这场论战再次出现了高峰．文章首先提出了理论的完备性和实在性的定义,并建立了一种“非此即彼”的抉择关系,即量子力学理论如果是完备的,则不可对易算子所表征的物理量不同时为实在；或者相反,如果理论是不完备的,则物理量同时为实在．其次,文章证明,如果波函数所提供的描述是完备的,那么所涉及的不可对易量必定是实在的．而根据前面所建立的“非此即彼”抉择关系,不难看出,其唯一可能的结论是波函数所提供的描述为不完备的．爱因斯坦等人通过对两个相干系统的分析,做到了不仅是完成了逻辑上的诘难,而且还具体地构造了一个满足“排除了干扰的测量”的要求的体系,用以说明量子力学对物理实在的描述是不完备的．这称之为“EPR悖论”．EPR悖论逻辑结构是十分严密的,要进行反驳是极其不易的．但EPR悖论中所提出的定义及观点,又必须最后诉诸“测定”,既然还有赖于测量,那就恰好为玻尔的反驳提供了突破点．1935年10月,玻尔以相同的标题公开回答了上述诸难．指出既然EPR的作者在“实在性”的定义中谈论了测量,那么就不应该把测量操作与被测对象割裂开来讨论,而必须把现象同获取现象的条件以及器械包括在内进行描述．所以,玻尔在文章中运用一种更为一般的方式构造了EPR的两粒子体系,使它们恰好满足EPR所设想的情形．玻尔列举了一个粒子穿过一窄缝的实验,并指出EPR诘难中对所需物理量的测量及计算所显示的在选择上的任意性,取决于实验装置的设置．所以,“排除一切干扰”的前提,对实验的要求是含糊的．为了进一步说明上述思想,玻尔把量子力学与经典物理学中的观察予以比较．他指出：在量子物理学中,对象与测量仪器之间的相互作用是量子现象中不可分的组成部分,从而对象与测量仪器构成一个不可分割的整体．由此可见,玻尔提出的量子现象的整体性特征,是对于EPR所默认的定域性假设的否定,也是对于EPR实在性判据的否定．这样,玻尔采用了抛弃EPR的逻辑前提,代之以确认量子现象的整体性特征的手段,拯救了量子描述的完全性．3论战的启示现在,爱因斯坦和玻尔虽然去世了,但他们之间为了探索科学真理而进行的论战,却推动着量子物理学深入发展；它一步步地揭示了量子力学的本质含义,前期的争论确立了量子力学及正统解释的逻辑自洽性；后期的争论则揭示了量子现象的整体性特征,同时更明确地提出了量子力学的理论地位问题．但是,两位大师的争论以分道扬镳而告终,这说明：这一争论对现代物理学理论基础的研究带来了冲击,就这个意义而言,这场争论还远远没有结束,它将激励着人们去重新审查现代物理学理论基础的分理解状况,寻找把这两个理论真正统一起来的途径,以促进物理学的进一步深入发展．除此之外,这场论战还给后人留下了十分有益的启示．首先,它说明学术上的争论有利于促进科学理论的发展；其次,学术争论的唯一正确态度就是坚持百家争鸣；再次,自然科学需要正确的哲学作指导．这一场发生于爱因斯坦和玻尔为代表的20世纪最伟大的两位物理学家之间的论战,是科学史上持续长久而激烈的著名的论战之一,它一直延续到今天,影响深远．。
世纪之战：爱因斯坦和玻尔就“量子力学”大战3回合，谁赢了？
世纪之战：爱因斯坦和玻尔就“量子力学”大战3回合，谁赢了？量子力学建立初期，“纠缠”这个现象就引起了所有物理学家的好奇，爱因斯坦将其称之为“遥远地点之间的诡异互动”。
量子力学中的所谓纠缠是这样一种现象：两个处于纠缠态的粒子可以保持一种特殊的关联状态，两个粒子的状态原本都未知，但只要测量其中一个粒子，就能立即知道另外一个粒子的状态，哪怕它们之间相隔遥远的距离。
过去的大半个世纪里，这种现象背后的本质一直深深困惑着科学家们。
上世纪，关于纠缠现象的看法将物理学家划分成了两派：以玻尔为代表的哥本哈根学派认为，对于微观的量子世界，所谓的“实在”只有和观测手段连起来讲才有意义；但爱因斯坦等科学家无法接受这种观点，他们认为量子力学是不完备的，测量结果一定受到了某种“隐变量”的预先决定，只是我们没能探测到它。
1935年，爱因斯坦和Podolsky及Rosen一起发表了一篇题为《Can quantum mechanics description of physical reality be considered complete》的文章，论证量子力学的不完备性，通常人们将他们的论证称为EPR 佯谬或者Einstein定域实在论。
爱因斯坦与玻尔这场论战的源头要从牛顿说起。
第1回合爱因斯坦发动攻势在20世纪之前，整个物理学尽在牛顿经典物理学的掌控之下，在牛顿的宇宙里，世界就是一个精密的钟表，上帝造好表，上好发条，以后的一切就是确定无疑的。
然而进入了20世纪后，牛顿的这座巍峨神殿在新发现的撞击下轰然倒塌了。
在倒塌的废墟下两个新的门派站了起来，这两个门派，一个是爱因斯坦以一人之力独撑起来的相对论，另一个则是多位大师合力塑成的量子力学。
不过，这两个门派却无法和谐相处，相对论虽然推翻了牛顿的绝对时空观，却仍保留了严格的因果性和决定论，而量子力学却更激进，抛弃了经典的因果关系，宣称人类并不能获得实在世界的确定的结果，它称自己只有由这次测量推测下一次测量的各种结果的分布几率，而拒绝对事物在两次测量之间的行为做出具体描述。
爱因斯坦与波尔争论的ERP悖论
爱因斯坦与波尔争论的ERP悖论1930年以后。
量子力学理论体系取得了更加完美的形式，但有关量子理论的完备性的争论仍继续进行着。
1935年5月，爱因斯坦同两位年轻的美国物理学家波多耳斯基和罗森在美国《物理评论》47期发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的论文，在物理学界、哲学界引起了巨大的反响，玻尔则以同样的题目撰文回答。
爱因斯坦等在论文中提出了物理理论体系完备性的判据与著名的以三位作者姓的头一个字母简称的EPR悖论（这一悖论涉及到如何理解微观世界实在的问题），认真地论证了量子力学对物理实在描述的不完备性。
EPR在论文中，首先给物理实在与物理理论的完备性下了定义。
如果一个物理理论对物理实在的描述是完备的，那么物理实在的每个要素都必须在其中有它的对应量，即完备性判据。
当我们不对体系进行任何干扰，却能确定地预言某个物理量的值时，必定存在着一个物理实在的要素对应于这个物理量，即实在性判据。
EPR在推理过程中还默认了以下两个假设：（1）定域性假设；如果测量时两个体系不再相互作用，那么对第一个体系所能做的无论什么事，都不会使第二个体系发生任何实在的变化；（2）有效性假设：量子力学的统计预示（至少在本论证有关的范围内）已为经验所证实。
接着，EPR介绍了物理实在的量子力学描述的一般特征后，认为量子力学不满足上述这些判据，所以是不完备的。
在论文的第二部分，EPR设计了一个理想实验来论证：假设有两个子系统Ⅰ和Ⅱ构成的复合系统，当t＜0时，它们是彼此分离的，状态为已知；在0＜t＜T时，它们接近而发生相互作用；在t＞T以后，它们又彼此分离并停止相互作用。
一方面由量子力学可知，当子系统Ⅰ和Ⅱ分离后，据对子系统Ⅱ的动量（或位置）所作的测量，人们便可以在不对子系统Ⅰ进行干扰的情况下确定地预示子系统Ⅰ的动量（或位置）。
因此，根据EPR的实在性判据和定域性假设，子系统Ⅰ的动量与位置均对应于物理实在的要素。
另一方面，由于动量与位置是一对不对易的共轭变量，人们不可能对子系统Ⅱ的动量与位置同时进行测量，从而不可能对子系统Ⅰ的动量与位置同时作出预示。
哥本哈根学派对量子力学的解释以及爱因斯坦的观点
哥本哈根学派对量子力学的解释以及爱因斯坦的观点经济学（中美班）142 裘翀 1140662034哥本哈根学派是20世纪20年代初期形成的。
1921年，在著名量子物理学家玻尔的倡议下，成立了哥本哈根大学理论物理学研究所，由此建立了哥本哈根学派。
该学派在创始人尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔的带领下对量子物理学有着深入广泛的研究。
玻尔与爱因斯坦关于量子力学诊释的争论围绕着量子力学理论体系的物理解释问题 ,以玻尔为首的哥本哈根学派与爱因斯坦等人展开了旷日持久的论争.这是物理学发展史上持续时间最长,斗争最激烈,最富哲学意义的论战之.爱因斯坦虽然赞成光具有波粒二象性的提法但却坚信波和粒子可以因果性地相互联系起来.而玻尔则固守光的波动理论,否认光量子基本方程的有效性并强调要同经典的力学概念作彻底的决裂.1924年康普顿实验证实了光量子的粒子特性之后玻尔与爱因斯坦的论战第一次进人高潮.为了固守自己的理论,玻尔在1924年写的一篇文章中完全摒弃了爱因斯坦的辐射能量子观念 ,取而代之的是一种全新的几率方法.他认为能量和动量守恒定律对单个原子构成基元过程并不成立只有在统计意义上才能谈及守恒.对此爱因斯坦在同年4月29日致玻恩夫妇的信中予以反驳“我觉得完全不能容忍这样的想法 ,即认为电子受到照射而辐射时 ,不仅它的跳跃时刻 ,而且它的运动方向都由自己的自由意志去选择.……”1926年4月 ,薛定谬在一篇题为《关于海森伯—玻恩—约尔丹的量子力学与我的波动力学之间的关系》的论文中 ,用数学变换的方法证明了波动力学和矩阵力学的等价性.同年12月 ,狄拉克又提出了新的变换理论 ,他从海森伯的矩阵力学出发 ,导出了薛定谬的波动方程.至此 ,众多物理学家对两者的数学处理结果的一致性已无人怀疑 ,但对波函数的物理解释却仍各持己见.薛定愕坚持认为德布罗意提出的物质波是一种在三维空间中真实存在的,可观察测量的波 .薛定愕试图创立一种纯粹由波动理论所构成的物理学.为此 ,他对量子力学中一些不合常理的特殊概念,尤其是“该死的量子跃迁”十分反感.他在一次对玻尔的谈话中说“如果我们打算保留这些可恶的量子跃迁的话 ,那我总对自己曾同原子物理学打过交道而感到遗憾.”在此后较长一段时间内,薛定愕一直认为量子跃迁能够完全避免一个系统的稳定态实际上完全可以看作是一种驻波它们的能量取决于波的频率.一个粒子钓运动可以用波动方程中的一个波包来描述.但是 ,按照他自己的波动理论推算 ,波包将随着时间的推移而散开这显然与粒子能长期稳定这个事实不相符合.为此玻恩于1926年6月提出了波函数的统计解释.他认为*是粒子在位形空间中出现的几率.按此观点,事件的全过程决定于概率定律对应于空间的一个状态就有一个由跟此状态相关的物质波所确定的几率.因此薛定愕方程中的波函数只能给出某力学过程一个确定的几率,而不能给出力学变量的确定值.爱因靳坦对玻恩关于波函数的几率解释深为不满他在年1926年12月写给玻恩的信中说“量子力学固然是堂皇的可是有一种内在的声音告诉我它还不是那真实的东西这理论说得很多但是它一点也没有真正使我们更接近这个‘恶魔’的秘密我无论如何深信上帝不是在掷般子.很明显爱因斯坦坚信能够提供关于客观世界的确切知识 ,因而认为玻恩的几率解释是“含糊不清”的.玻思等人认为情况并非如此 ,任何既定时刻我们对于客观世界的描述虽然只是一种粗糙的近似但正是由于这种近似,应用某些象量子力学几率定律这样的规律 ,我们可以预知未来时刻的情况.至此 ,双方争论的焦点已经由波函数的统计解释的有效性发展到哲学上的认识论问题‘年海森伯在《关于量子论的运动学和力学的直觉内容》一文中提出在确定微观粒子的每一个动力学变量所能达到的准确度方面 ,存在着一个基本的限度.同时 ,他用严密的数学方法推算出粒子的位置与动量的不确定量之间存在的关系,就是后来非常著名的测不准关系式.它表明微观粒子的某些对应的物理量不可能同时具有完全确定的数值.例如粒子的位置和动量角位移和角动量能量和时间等等 ,其中一个量越精确 ,另一个量就越不准确,此关系式给出了经典的粒子概念及其力学量对微观粒子适用的限度.为了使测不准关系更具普遍性和透彻性 ,玻尔对此进行了大量的分析研究.1927年9月,在纪念意大利著名的物理学家伏打,逝世100周年的科摩国际物理学会议上,玻尔发表了为“量子公式和原子论的最近发展”的演讲 ,首次全面系统地阐述了“互补性原理.”他认为微粒和波的概念是互相补充的,同时又是互相矛盾的 ,微观客体和测量仪器之间的相互作用是不可控制的,其数学表示是“测不准关系式”它决定了量子力学的规律只能是几率性的 ,因此 ,必须抛弃决定性的因果原理.玻尔还特别强调微观客体的行为有赖于观测条件,一个物理量不是依靠其本身即为客观存在,而是只有在人们观测它时才有意义.玻尔的互补原理被哥本哈根学派推崇备至 ,被认为是一个普遍适用的科学原理.在布鲁塞尔举行的第五届索耳威物理会议上,以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的解释为当时大多数物理学家所接受 ,因而成为正统的解释.玻恩和海森伯在他们的报告结尾中断言“我们认为量子力学是一个完备的理论 ,它的基本物理和数学假设是不允许进一步加以修改的.“在此次会议上 ,爱因斯坦几乎是单枪匹马地进行论争 ,他断然拒绝哥本哈根派对量子力学的几率解释 ,称之为“海森伯—玻尔的绥靖宗教”.指出对方人多势众是因为“这种宗教向他们的信徒们暂时提供了一个舒适的、一躺下去就不容易惊醒的软枕.”他坚持认为量子力学只能描述处于相同环境中为数众多而又彼此独立的粒子全体 ,而不能描写单个粒子的运动状态 ,因为单个粒子的运动状态必须是决定性的而不能是统计几率性的.由此可见 ,量子力学理论是不完备的.在1930年召开的第六届索耳威物理会议期间,爱因斯坦精心设计计了一个由时钟和量尺构成的理想实验—光子箱 ,想以此证明能量和时间的不确定量不满足测不准关系.玻尔为了回答爱因斯坦的挑战,经过一个不眠之夜的紧张思考,发现爱因斯坦在作上述推理时,竟忽视了他自己创立的广义相对论的红移效应.即在引力场中,时钟在运动过程中会延缓.结果这个由爱因斯坦设计的 ,试图用来否定测不准关系的光子箱,反倒变成了论证测不准关系的理想仪器 .从1935年起,爱因斯坦与玻尔的争论焦点由哥本哈根学派方法的不连续性转移到方法的不完备性.同年5月 ,爱因斯坦与玻多尔斯基,罗森共同发表了一篇题为“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗”的文章 ,即著名的悖论.它指出波函数所提供的关于物理实在的描述是不完备的 ,量子学的实质并没有放弃严格的因果律.文章强调物理学理论在对完全确定的实验结果的明确描述方面 ,并不存在任何局限性.对此 ,玻尔不久便撰文进行了答辩与驳斥.双方的论争又一次进人高潮.论战持续了几十年之久 ,直至爱因斯坦和玻尔两位科学巨人相继逝世这场争论仍没有最终结束.作为后人,我们了解和研究这场争论的目的并不在于得出谁是最后的胜者或败者,而是应该关注,在争论中双方共同澄清了一些什么问题创立了什么新的科学方法同时 ,我们也应看到 ,两位科学大师的争论 ,为世人树立了科学争鸣的光辉典范.毫无疑问,争论本身推动了量子力学的建立和完善,并为量子力学的进一步发展提出了新的问题.哥本哈根学派对量子力学的创立和发展作出了杰出贡献，并且它对量子力学的解释被称为量子力学的“正统解释”。
玻尔与爱因斯坦的争论
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
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。”
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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。
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”。
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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。21
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。
波尔和爱因斯坦的世纪争论
波尔和爱因斯坦的世纪争论玻尔与爱因斯坦的争论量子力学建立以后，对于量子力学的物理解释和哲学意义，一直存在着严重的分歧和激烈的争论。
许多著名物理学家、哲学家、实验物理学家、数学家等都卷入了这场争论。
争论之深刻、广泛，在科学史上是罕见的。
在这其中，以玻尔和爱因斯坦之间的争论最为引人注目。
1．量子力学的哥本哈根学派的诠释1921年玻尔在丹麦哥本哈根创建了理论物理研究所(1965年改名为玻尔研究所)。
并很快成为当时国际上公认的物理研究中心。
逐渐形成了以玻尔为核心、以哥本哈根的名字命名的学派。
对量子力学的创立和发展做出了杰出贡献，代表人物有玻尔、海森堡、泡利和玻恩等。
海森堡的“测不准关系”和玻尔的“互补原理”构成了哥本哈根学派诠释量子力学的两大主要支柱。
1927年后，逐渐为大多数物理学家所接受。
因此被人们称为量子力学的“正统”解释。
①波函数的几率诠释：在微观领域里，力学的因果律和决定论都遭到了破坏。
在相同的实验条件下，可以发生各种不可预测个体量子过程，每次测量都会由于观测仪器与客体之间不可控制的相互作用而引进新的实验条件，使通常情况下的因果链被打断。
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。
②测不准关系：1927年，海森堡在论文《量子论中运动学和动力学的可观测内容》中，提出了著名的“测不准原理”。
为了说明他的测不准原理，海森堡设计了一个理想实验：用一个γ射线显微镜观测一个电子。
由于显微镜的分辨率受光波波长的限制，为了精确确定电子的位置，应该使用波长短的光，而波长越短，光子的动量越大，根据康普顿散射，引起电子动量的变化就越大。
因此电子的位置愈准确，就愈难确定电子的动量。
反之亦然。
海森堡认为，微观粒子既不是经典的粒子，也不是经典的波；当人们用宏观仪器观测微观粒子时，就会发生观测仪器对微观粒子行为的干扰，使人们无法准确掌握微观粒子的原来面貌；而这种干扰是无法控制和避免的，就像盲人想知道雪花的形状和构造。
爱因斯坦与波尔之争
在20世纪物理学的发展中，爱因斯坦和玻尔是两位最伟大的科学巨匠，他们都创造了现代物理学的辉煌，然而他们对现代物理学的基本问题却有着自己独特而深刻的见解，由此引起了长期的争论，成为两个最伟大的心灵之间的冲突。
两位科学巨匠争论的问题，主要不在于量子理论本身的内容与形式，而在于量子理论的解释方面，即关于作为量子理论基本特征的不连续性与统计性的说明方面。
因此，争论主要发生在1927年哥本哈根学派系统地提出量子力学解释以后，但随着量子理论的不断成熟，两位科学巨匠思想上的差别也不断明显。
下面我们将按照争论的不同阶段和特点，讲一讲有关的故事。
第一阶段（1927年以前）。
量子力学逐步建立，量子力学的哥本哈根解释还没有提出，但对于量子理论中出现的、引人注目的不连续性与因果性问题，即涉及到是坚持还是放弃经典物理学的信条，爱因斯坦与玻尔的态度却有很大的不同，因而开始个别地、直接或间接地进行了争论。
爱因斯坦虽然提出了光的波粒二象性，但从根本上他不准备放弃连续性和严格因果性，因为这些正是相对论的基本特征。
他还坚持相信对于原子过程能够给出连续的机制和直接的原因，而这种原因一旦被得到、被重复，现象即会无一例外地以决定论方式精确地出现。
而玻尔则认为，这一理想并不总被满足，由于观察操作引起的扰动不能任意小，我们只能谈论一种“单元事件体”。
例如电子从激发态到基态的某一次跃迁，比这更细微的过程我们便无法认识到。
因此，对于经典物理学的连续性和严格因果性必须放弃。
这场争论的开始可以追溯到1920年春天，当时玻尔和爱因斯坦这两位科学巨匠在柏林会晤。
虽然玻尔十分赞赏爱因斯坦对相对论的贡献以及对普朗克定律的巧妙的推导，但是他难以接受爱因斯坦的光量子概念。
因此在1920年4月他对柏林物理学会所作的关于《光谱理论的现状及其在不久的将来的发展的各种可能性》的讲演中，虽然这个题目同光子理论有密切关系，他却仅仅在一个地方提到“辐射量子”的观念，而且这还可能只是出于对也参加了这个报告会的爱因斯坦的尊重；玻尔立即补充道：“我将不在这里讨论‘光量子假设’在干涉现象上所带来的众所周知的困难了，而辐射的经典理论对于说明干涉现象却是这样合适。
玻尔和爱因斯坦论战读后感
玻尔和爱因斯坦论战读后感古老的圣经记载：“神说‘要有光’，就有了光。
”言辞极为简明，有至上的权威，但上帝没有说明光是什么，没有亮出他的底牌。
到了18世纪，牛顿说光是“闪耀着的物质上释放出来的非常细小的颗粒。
”一位叫克里斯蒂安.惠更斯的科学家说：光是在以太中穿行的波。
由于两种假说都能解释光的反射和折射，又都存在各自不能解释的某些光的特性，科学家为此争论了几十年。
由于牛顿是史上最伟大的科学家之一，光的粒子说占了正统，但仍有科学家表示不服。
到了19世纪，牛顿的同胞托马斯.杨向牛顿发起挑战。
他设计了著名的双狭缝实验，表明光的干涉现象只有光是波才能解释得通。
这“导致光波理论起死回生”（见该书p44），牛顿的粒子理论开始衰落，似乎物理学的重大进步都是从挑战牛顿开始的。
托马斯.杨反牛顿的观点一出，立即遭到各种攻击，托马斯.杨专门写了一本小册子，表明自己是多么尊重牛顿。
他写道：“但是，尽管我是如此地崇拜牛顿的大名，但我并不能因此就相信他永远正确。
我不是幸灾乐祸，而是遗憾地看到，他也是有可能犯错误的，而且有时，他的权威或可对科学的进步造成了阻碍。
”这本小册子只卖出了一份。
玻尔对这个光盒实验苦思冥想了一夜，终于找到了爱因斯坦光盒的破绽，原来爱因斯坦这个思想实验忘记了广义相对论，如果按照广义相对论，这个光盒证明哥本哈根是正确的。
第二天，轮到爱因斯坦目瞪口呆了，后来爱因斯坦在推荐海森堡和薛定谔或诺贝尔奖的推荐信写道：“在我看来，这个理论毫无疑问包含了某些最高真理。
”牛顿的经典力学揭示了任何事件都是有原因的，原因又有其原因，直到世界之初，可能是上帝造物，或者是宇宙大爆炸。
量子力学彻底打破了经典力学的因果律，量子世界的单个事件的发生是无法预言的，因为量子事件不可能因为某个原因在某个时刻必然发生。
如果统计足够多的量子事件，我们可以知道某量子事件发生的概率是多少。
爱因斯坦反对说“上帝不会掷骰子”。
但是量子行为不是有原因的行为，这就从科学上排除了世界存在终极原因，把上帝踢出了宇宙。
爱因斯坦与波尔的争论的作文
爱因斯坦与波尔的争论的作文哎呀，我听说过爱因斯坦和波尔这两位超级厉害的科学家呢！他们之间有一场特别有名的争论，嘿嘿。
据说呀，他们对于一些科学的问题有着不一样的看法。
爱因斯坦觉得是这样的，而波尔却觉得是那样的，嘿呀，然后他们就开始争论起来啦。
他们在讨论的时候呀，一定特别激烈呢，哈哈。
爱因斯坦会很认真地说出自己的想法，波尔也不甘示弱地表达自己的观点。
哎呀，我都能想象到他们争得面红耳赤的样子。
他们可都是大科学家呀，但是在这个争论里，他们就像两个小孩子在争一个玩具一样，嘿嘿。
我觉得他们的争论好有意思呀，虽然我还不太懂他们争论的那些东西，但是我知道他们都是为了找到真理呢。
嘿呀，真希望我以后也能像他们一样聪明，去思考那些很深奥的问题，哈哈。
阿尔伯特爱因斯坦与尼尔斯玻尔量子论的较量
阿尔伯特爱因斯坦与尼尔斯玻尔量子论的较量阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）是20世纪最杰出的物理学家之一。
他们之间的较量，尤其是在量子力学的发展过程中，引发了许多关于自然世界的深刻思考和理论争论。
本文将重点探讨这两位伟大科学家之间的较量，以及他们对量子力学的不同观点和思考。
一、量子力学的起源与发展量子力学是20世纪20年代发展起来的一门物理学理论，它描述了微观粒子的行为和性质。
尼尔斯·玻尔是量子力学的创始人之一，他在1913年提出了玻尔模型，解释了氢原子光谱的现象。
玻尔模型的成功激发了科学家们对微观世界的深入研究，并引领了量子力学的发展。
二、爱因斯坦的挑战：波粒二象性的争议爱因斯坦通过对光电效应和布朗运动等实验结果的分析，提出了光子的概念，并解释了光只能以离散的能量单位进行传播的现象。
这与当时的经典物理学观点相悖，引起了科学界的震动。
然而，爱因斯坦的观点与玻尔的波粒二象性理论存在分歧。
玻尔坚持认为微观粒子既具有波动性又具有粒子性，而爱因斯坦则认为光子作为真正的粒子体现了粒子性，它并不具备波动性。
三、不确定性原理：玻尔的观点在较量的过程中，玻尔提出了著名的不确定性原理，它说明了在测量微观粒子位置和动量时的局限性。
根据这个原理，无法同时准确确定粒子的位置和动量，只能得到一个概率分布。
玻尔的不确定性原理把统计性和测量局限性引入到了物理学的核心，对量子力学理论的发展产生了重大影响。
不确定性原理改变了人们对于自然界的认知方式，揭示了微观粒子行为的本质规律。
四、实验验证：爱因斯坦的追问爱因斯坦不满足于纯理论的争论，他一直对量子力学的基本假设提出质疑，并试图通过实验来验证这些假设。
特别是他与两位合作者的"EPR"实验（爱因斯坦、波多尔斯基和罗森试验）引发了广泛的讨论。
"EPR"实验旨在证明量子力学中的“局域实在论”是错误的，即量子纠缠的结果是因为存在隐含的变量而不是真正的不确定性。
爱因斯坦和玻尔的世纪之争及EPR问题
爱因斯坦和玻尔的世纪之争及EPR问题殷业;金尚年【摘要】相对论和量子力学不能同时为真，已是学术界的共识，而其原因仍是悬而未决的问题。
将复杂问题分解为最简单问题进行研究是科学研究的常用方法，无外力作用物体的运动是力学中的最简问题，这种运动称为惯性运动或自然运动，亚里士多德、伽利略、牛顿、爱因斯坦四位历史上最伟大的物理学家都研究过自然运动。
本文试图从对惯性定律的分析中寻找到解决EPR问题的方法。
文中研究了相对论中的自然运动和引力几何化问题，讨论了爱因斯坦和玻尔关于量子力学解释的争论，最后用惯性起源的马赫原理给出了解释 EPR问题的一种可能方法。
%It is the consensus of the academic circles that theory of relativity and quantum mechanics cann’t both be true. Decomposing a complex problem to the simplest problem is a common method in scientific research,no action of the external force for moving object is the simplest problem in mechanics,and this movement is called inertial motion or natural movement. Aristotle,Galileo,Newton,Einstein the four greatest physicists have researched the natural movement. This paper tried to search for the method to solve the EPR problem from the analysis of the law of inertia,studied the natural motion and gravitational geometrization problem in relativity theory discussed the debate about the interpretation of quantum mechanics between Einstein and Bohr,and finally proposed possible interpretation method of EPR problem by using Mach Principle.【期刊名称】《吉林师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】5页(P79-83)【关键词】惯性定律;相对论;量子力学;EPR问题;马赫原理【作者】殷业;金尚年【作者单位】上海师范大学信息与机电工程学院，上海200234;复旦大学物理学系上海200433【正文语种】中文【中图分类】O3010 引言将复杂问题分解为最简单问题进行研究是科学研究的常用方法，牛顿力学和相对论中都使用了这个方法[1-2]．要将复杂问题转化为简单问题，首先要将研究对象和环境分离，一旦分离成功，研究对象和环境的最简单关系就是两者之间没有任何相互作用的情况．对力学而言，无外力作用物体的运动就是力学中的最简问题，这种运动被称为惯性运动或自然运动，亚里士多德、伽利略、牛顿、爱因斯坦四位历史上最伟大的物理学家都研究过自然运动[3-4]．本文通过对历史上惯性定律的形成过程的分析，揭示了惯性定律在整个宏观力学中的地位，文中研究了相对论中的自然运动和引力几何化的原因，用惯性起源的马赫原理解释了EPR问题，从方法论上给出了宏观物理学和微观物理学关系的新图景．1 宏观力学的研究方法牛顿力学和相对论都属于宏观力学范畴，宏观力学和微观力学的一个显著区别是，宏观力学可实现研究对象和环境的有效分离，这一点在微观力学中做不到，这也是导致宏观力学和微观力学的研究方法在现代产生明显区别的主要原因，也是爱因斯坦和玻尔在量子力学解释上产生分歧的原因之一．所以研究宏观力学在方法论上要比微观力学简单，通常无需考虑作为环境一部分的测量工具对研究对象的干扰，也就是无需考虑宏观物体受测不准原理的制约．一旦研究对象和环境实现有效分离，就可以考虑最简单的情况：环境和研究对象之间没有任何相互作用时物体的运动．实验和理论分析最后都导致了惯性定律的产生：当一个物体不受任何外力作用时，将保持静止或匀速直线运动状态．如果物体受到外力作用，那么运动状态将发生改变，其中的定量关系就是牛顿第二定律，这样力学开始慢慢地由简单到复杂，这就是牛顿力学的主要思路．牛顿力学中也存在一些问题，主要出现在空间问题上，物体运动总要在一定的空间中发生，那么牛顿的空间到底是怎样的，有什么性质？牛顿给出了绝对空间的概念，即：一个一无所有的静止空间．绝对空间成为物体运动的场所，物体在这样的空间中运动，不和空间发生任何相互作用，但这样的空间存在吗？历史上许多科学家都对此提出质疑，如贝克莱主教、莱布尼茨、马赫等．问题1：一无所有的空间，连信息也没有，我们无法感知又如何知道它存在？问题2：静止和运动是相比较得到的，那么绝对空间的静止是和谁比较得到的？问题3：现实中根本找不到一个一无所有的空间．以前以为真空中一无所有，但后来发现真空中含有丰富的物质内容，如高能粒子、光、引力场、宇宙背景辐射等，所以一无所有的空间的存在性问题，在亚里士多德提出来二千多年后依然是一个没有解决的问题[5-6]．相对论将引力视为空间的属性[7]，引力归入了空间，又因为引力场有能量所以是一种物质的存在形式，这样对相对论而言，空间和物质是不可分割的．不存在一无所有的空间，存在的空间中都存在物质，至少存在引力场．所以在广义相对论中，物体所受外力中不包括引力，物体在不受引力之外的外力作用时的运动就成了自然运动，引力被几何化了．这样的处理恰好有黎曼几何与之对应，所以相对论就成为一个由数学理论体系支撑的宏观力学理论．相对论比牛顿力学的进步在于，它否定了运动物体和空间不会发生相互作用这一事实，如果真空中确实存在许多物质，那么运动物体一定会和真空发生相互作用，这种作用产生的物理效应就是相对论效应，当然这种效应只有在物体运动接近光速时才会显现．沿着这条思路，就产生了真空的真空是否存在的问题.我们又回到了与十七世纪研究真空是否存在的类似问题上．如果真真空存在，那么在真真空中，物体运动的极限速度就一定是超光速的．这样立刻会想起在无限稀薄的物质空间中，物体将如何运动的问题.结论只有一个，物体将静止或以无限快的速度运动．因为空间一无所有，引力也没有，根据惯性起源的马赫原理，物体将没有惯性，任何扰动都将使物体加速到无限快．如果运动物体是一个基本粒子，在周围有约束的环境中，那么这个基本粒子只能是以几率波的形式存在，因为它运动得太快了，我们根本无法确定它何时在何处，只能根据周围约束确定其在空间某位置出现的概率，这种图像和量子力学描述的微观物质世界图像是完全一致的．2 亚里士多德的自然运动亚里士多德是古希腊时期最伟大的哲学家和科学家，他的关于物质运动的思想整整统治了人类2000多年．亚里士多德和后来的伽利略在研究力学问题的方法上，存在一个显著的区别，亚里士多德仅依靠观察和直觉得出结论，缺乏实验方法，所以他的关于物质运动的理论从直觉出发，得出了许多不正确的思想．首先为了确定物体的自然运动，亚里士多德根据对轻的物体上浮，重的物体下落的观察，规定了物质具有原始处所，重物的原始处所在地心，所以在没有外力作用的情况下，重物总是落向地心．而气体和轻的物体的原始处所在天上，所以当没有外力作用时它们总是飘向天空．另外亚里士多德根据，地面上的物体不用力推它，它就静止这一观察结果，断言力是产生运动的原因．显然亚里士多德的这些论断都是错误的，也说明在力学或自然科学中，正确结论的得出，不能仅凭简单的直觉或观测，还需要根据对限定条件下实验的分析，特别是定量实验得出正确结论，这也是现代科学的特征之一．3 伽利略的自然运动和惯性定律古希腊学者的力学研究主要集中在静力学范畴，很少涉及时间变量．从伽利略开始力学迈向了动力学的范畴．最简单的物体运动是一个物体不受任何外力作用下的情况，即自然运动或称惯性运动．伽利略通过对小球斜面运动实验，得到了他的关于物体自然运动的规律，即：惯性定律．牛顿将其称为力学第一定律[1]，本文中称其为真空惯性定律，以区别于后面给出的虚空惯性定律．图1 伽利略惯性定律实验在地球表面的实验环境中，要创造一个不受任何外力作用的环境是不可能的，因为地球引力不可屏蔽．伽利略的方法是先研究一个方向上不受力情况下物体的运动．如图1所示，小球在假设没有摩擦力的无限光滑的斜面上运动，观测下坡和上坡的高度，实验表明是相等的(在实验精度范围内)．这样伽利略设想了如图ABC的变化，在C图中，上坡斜面变成完全水平时，推理小球将运动至无限远．这样就得出，在水平面上一个物体不受外力作用时，将保持静止或匀速直线运动状态．推广到一般，如果在所有方向上物体不受外力，则就可得惯性定律[8]．伽利略惯性定律也存在两个问题：(1)表述中的无限远并不是实验结果，而是理论推想，所以并不可靠．但可认为在很远很远时，惯性定律仍成立．(2)因为地球是一个非惯性系，所以伽利略的斜面实验只是近似实验，如果精度提高，以地球做参照系，惯性定律不成立．这就产生一个问题，宇宙中存在绝对惯性系吗？结论是不存在．因为宇宙中的任何参照系都在引力场中，都会受引力的作用并加速，所以不存在真正的惯性系．但在实验精度允许的范围内，宇宙中存在近似惯性系，如地球参照系，太阳参照系，银河中心参照系，宇宙背景参照系等．各种近似惯性系近似于绝对惯性系的程度不同，所以它们之间存在差异，这种差异是导致日心说优于地心说的原因．4 爱因斯坦的自然运动和相对论中的惯性定律相对论是公理理论，也就是它从公理出发导出理论的全部内容，这种建构理论的方法的优点是：只用少数从实验事实总结出来的公理，通过逻辑推理，可以得到广泛的理论预测，这些理论预测如果可以被实验验证，就可以反证理论的正确性，从而增强了人们用公理理论去预测和说明更多现象的信心．相对论和量子力学都是这样的理论体系，并成为现代物理学的主流理论[9-11]．等效原理保证了不同质量的物体在引力场中的运动，如果初始条件一样将走相同的轨迹，这就给引力几何化创造了条件．爱因斯坦假设物质的存在可以使空间弯曲，反之空间的弯曲也表征了引力的存在，这样引力就归入了空间的属性中，引力成为了一个多余的概念，物体在不受除引力外的任何外力作用时的运动就是自然运动．相对论中的惯性定律就成为：如果物体不受除引力外的任何外力作用时，物体将沿测地线运动．所以在相对论中地球绕太阳转的原因不是地球受到万有引力的作用，而是地球在沿空间的测地线作惯性运动．测地线则由空间中的物质和能量决定，与运动物体无关[12-15]．相对论中有句名言：物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动．电磁场就不能像引力场一样处理，因为惯性质量和电荷是两个独立变量，它们之间的关系和惯性质量与引力质量完全成正比不同，所以电磁力无法空间几何化．5 惯性的起源图2 马赫原理示意图关于惯性的起源，历史上有两种不同的观点[16-17]：(1)内秉性质说；(2)外因说．其代表人物是牛顿和马赫．牛顿认为惯性是物体的固有属性，与其它物质无关；这种思想统治了物理学2百多年，直到马赫提出质疑．马赫认为宇宙中如果只有一个物体，物体将没有惯性．所以马赫认为物体惯性的来源是由于遥远宇宙物质的存在．如图2所示，遥远宇宙物质对本地物体有引力相互作用，这种作用具有对称结构，当物体相对宇宙背景参照系静止或作匀速直线运动时，遥远宇宙物质对本地物体的引力作用是平衡的；但一旦物体作加速运动，遥远宇宙物质对本地物体的引力作用将不平衡，并产生一个与加速度方向相反的惯性力．也就是惯性力的施力者就是遥远宇宙物质的全部．说的更清楚一点，在图2的m位置，只有当遥远宇宙物质存在时，旋转的牛顿水桶才会产生凹面．如果遥远宇宙物质不存在，水桶无论如何旋转都不会产生凹面．另一个关于马赫原理有说服力的实验就是：宇航陀螺仪导航原理．如果我们将太阳系从现在的位置移去，这样在太阳系现在的位置处就会产生一个真空空间，问一艘宇宙飞船在这个空间中航行，陀螺仪能否导航？答案是肯定的，陀螺仪不是因为太阳的存在才可以导航的．那么这时的陀螺仪指示的方向是什么参照系中的方向？结论只有一个：宇宙背景参照系中的方向．这就说明陀螺仪中的惯性只能来源于遥远宇宙物质．遥远宇宙物质的存在，决定了本地真空空间的性质，如果遥远宇宙物质不存在，那么本地空间性质将完全不同，前者使在此空间中的物体具有惯性，后者则没有惯性．遥远宇宙物质在本地产生平衡引力，尽管合力为零，但和本地没有任何引力是完全不同的，这一点以前的物理学从来没有认真讨论过．有一个类比：四周绷紧的蹦床才有弹力，这个类比提供了一个参考的思维[18]．6 爱因斯坦公理和物质空间层次模型关于物质和空间的关系，爱因斯坦曾多次强调：一无所有的空间不存在．这一思想古代就存在．亚里士多德和笛卡尔是两个坚持主张一无所有空间不存在的科学家[3,5-6]．这里将这一思想称为：爱因斯坦公理．从这一公理出发，可以得到许多新的结论，它将有助于加深对物质世界本质的理解[19-20]．根据爱因斯坦公理，一无所有的空间不存在，那么存在的空间中就一定存在物质，物质和空间不可分离，为了区别牛顿的虚空，称这样的空间为物质空间．定义理想物质空间为：充满无限小连续物质的空间．定义一般的物质空间为：连续的物质占据的空间．如：空气、水、真空等，它们是理想物质空间的近似．对人而言，空气就是人生存其中的物质空间；对鱼而言，水就是它们生存其中的物质空间；对恒星而言，真空就是它们运动其中的物质空间，任何物体都在一定的物质空间中运动，没有例外[21-25]．由物质空间概念可引伸出物质空间层次概念，设想在空气中一个玻璃围成的球体，如果将里面所有的空气抽去，就可获得真空；根据爱因斯坦公理，一无所有的空间不存在，所以真空中也一定存在物质，如引力场，电磁场等．假设将所有真空中的场物质抽去，就得到真空的真空，以此类推，最后得到了一个像俄罗斯套娃式的嵌套的物质空间层次模型．7 虚空中的惯性定律根据爱因斯坦公理，真空和虚空是两个完全不同的空间，真空中包含着丰富的物质内容，虚空则指一无所有的空间，那么在虚空中一个物体将如何运动？对这个问题的解答就产生了虚空中的惯性定律．为了区别，将伽利略给出的惯性定律称为真空中的惯性定律，马赫原理认为物体的惯性是遥远宇宙物质对本地物体引力作用的总效应[18]，如果虚空中一无所有，则虚空中引力场也没有，根据马赫原理，物体在虚空中将没有惯性，任何外力都将使物体运动速度加速到无限快，假设微扰总存在，所以由马赫原理可得虚空中的惯性定律：在虚空中，物体将以无限快的速度运动．作为对称，奇点空间中，物体运动速度无限慢．虚空中物质密度无限小，奇点中物质密度无限大，真空中物质密度有限大，三种不同的空间中物体运动的极限速度不同，相对论仅说明了真空空间的情况．8 爱因斯坦和玻尔的争论及EPR问题为什么要重新讨论惯性定律这个古老的问题，本文的目的是想通过对惯性定律的重新分析，来研究相对论和量子力学之间的矛盾，并找到解决这一矛盾的方法．爱因斯坦和玻尔曾经为量子力学的方法论争论了50年，最后在他们离开人世间时问题也没有解决[4]．爱因斯坦坚持决定论，也就是事物的因果是明确的，这对于宏观力学是正确的．但对微观力学，由于人类具有的测量手段在一定时期不能做到：将研究对象和环境彻底分离，也就是测量工具的引入会影响原初条件，所以所得数据不能由原有研究对象和环境完全决定，需考虑人为参与后的影响，这必然会产生测不准，所以就方法论而言量子力学是正确的．但这并不代表人为的测试手段会永远停留在现有水平上，未来如果测试手段进步了，可以预见原本的测不准可能会变成测得准，但新的测不准又会出现．关于EPR问题，其中的关键是物质运动是否存在光速极限？EPR问题中的各种不等式最终都可归结为对这个问题的检验．使用物质空间层次概念可以对EPR问题给出一个相对合理的解释．爱因斯坦明确指出引力是空间的属性，相对论是在宇宙背景物质存在的空间中讨论问题，也就是相对论不讨论虚空中的物质运动．根据马赫原理，虚空中的粒子因为没有惯性可以超光速，量子力学的粒子随机速率分布没有规定不能超光速，所以量子力学是以虚空为物质的运动背景空间的．正因为相对论和量子力学对空间的要求不同，所以导致了两种理论存在深刻的内在矛盾．EPR 问题中的量子纠缠态，可以在比真空更高层次的空间中进行，所以没有光速限制，就像宇宙暴涨没有光速限制一样，因为宇宙爆涨不是在真空中进行的．这样就解释了量子纠缠态为什么能超光速传递的难题，而相对论是不允许出现这种情况的，所以爱因斯坦和玻尔都是正确的，只是两人说话要求的背景空间不同，一个是真空，一个是虚空．虚空惯性定律可以作为未来统一相对论和量子力学的基础，考虑虚空中一空间连续介质，那么相对论和量子力学可通过以下方式重构：虚空中的连续介质力学+相对论适用条件=相对论；虚空中的连续介质力学+测不准公理=量子力学；其中的相对论适用条件在文献[22]中已给出，测不准公理是海森堡测不准原理的一般化，事实上只要测量工具对系统的干扰不能忽略，都存在测不准现象．9 结语相对论以存在遥远宇宙物质的本地真空空间为研究的背景空间，这样的空间是惯性存在空间，物质运动具有光速极限．量子力学以虚空作为研究背景空间，所以没有光速极限，这两种空间的不同是导致相对论和量子力学矛盾的根源．本文对惯性定律进行了深入的分析，由马赫原理得到了虚空惯性定律，伽利略惯性定律(牛顿第一运动定律)可看成是虚空惯性定律在真空条件下的应用，它可作为相对论和量子力学的共同基础．参考文献【相关文献】[1]牛顿著，王克迪译.自然哲学之数学原理[M].北京：北京大学出版社，2006.[2]爱因斯坦著，史立英等译.广义相对论基础[M].石家庄：河北科学技术出版社，2001.[3]F.卡约里著，戴念祖译，范岱年校.物理学史[M].桂林：广西师范大学出版社，2002.[4]M.劳厄著，范岱年等译.物理学史[M].北京：商务印书馆，1978.[5]笛卡尔.哲学原理[M].北京：商务印书馆，1960.[6]斯宾诺莎.笛卡尔哲学原理[M].北京：商务印书馆，2007.[7]张元仲.广义相对论的产生与发展[J].力学进展，2002，32(4)：495～504.[8]孙丽媛，徐恩生，罗洪超．牛顿第一定律的实质、地位和作用[J]．沈阳航空工业学院学报，2005，22(2)：78～79.[9]P.Dirac.The Principles of Quantum Mechanics[M].Oxford:Oxford University Press，1958.[10]A.Einstein.Relativity 15th Edition[M].London:Methuen & Co.LTD.,1957.[11]ler.Albert Einstein’s Special Theory of Relativity[M].Massachusetts:Addison-Wesley Publishing Company,1981.[12]J.L.Synge.Relativity:The General Theory[M].New York:Interscience Publishers Inc.,1960.[13]R.Sachs,H.Wu.General Relativity for Mathematicians[M].New York:Springer-Verlag,1977.[14]V.Fock.The Theory of Space Time and Gravitation[M].London:Pergamon PressLTD,1959.[15]S.W.Hawking,G.F.R.Ellis.The Large Scale Structure of Space-Time[M].Cambridge:Cambridge University Press,1973.[16]C.Brans.R.H.Dicke.Mach’s Principle and a Relativistic Theory ofGravitation[J].Phys.Review,1961,124(3):925～935．[17]E.Mach.Science of Mechanics[M].London:The Open Court Publishing Co.,1942.[18]殷业.马赫原理及其物理模型[J].吉林师范大学学报(自然科学版)，2011，32(2)：20～24.[19]殷业.物质空间层次宇宙模型[J]．吉林师范大学学报(自然科学版)，2010，31(1)：23～26.[20]殷业.牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对时空观的统一[J].吉林师范大学学报(自然科学版)，2011，32(1)：56～61.[21]殷业.质能转化思想和质空转化思想[J]．吉林师范大学学报(自然科学版)，2012，33(2)：48～51.[22]殷业,胡素辉.产生相对论效应的物理机制及相对论的适用条件[J].吉林师范大学学报(自然科学版)，2014，35(3)：96～101.[23]殷业,胡素辉.时间的操作定义[J].前沿科学，2013，7(1)：52～59.[24]殷业,胡素辉.对称近似与三孪生子问题[J].前沿科学，2014，8(1)：37～44.[25]殷业,胡素辉.牛顿力学和相对论理论基础的分析与比较[J].前沿科学，2014，8(2)：33～41.。
物理学家告诉你走近量子纠缠（4）：波尔和爱因斯坦之争
物理学家告诉你走近量子纠缠（4）：波尔和爱因斯坦之争（科学网张天蓉博客，收藏有删减）走近量子纠缠（4）：波尔和爱因斯坦之争波尔和爱因斯坦都是著名物理学家，对量子理论的发展做出了杰出贡献，他们分别因为解决光电效应问题和量子化原子模型而获得1921年、1922年的诺贝尔物理学奖。
两人的争论主要是有关量子力学的理论基础及哲学思想问题。
正是因为这两位大师的不断论战，才使量子力学在辩论中发展成熟起来。
爱因斯坦终身反对量子论，提出了一个又一个的思想实验，企图证明量子论的不完备性和荒谬性，直到他们逝世之后，这场论战仍在物理学界继续进行。
遗憾的是，直到目前為止，每次的实验结果似乎并没有站在爱因斯坦这位伟人这一边。
波爱的第一次交锋是1927年的第五届索尔维会议，那是一场前无古人后无来者的物理学界群英会。
这张当年会议的合影照片中共29人，有17人是鼎鼎大名的诺贝尔物理学奖获得者。
索尔维是一位对科学感兴趣的实业家，因发明一种制碱法而致富。
他财大气粗后自信心倍增，提出了一种与物理实验和理论都扯不上关系的有关引力和物质的荒谬理论。
尽管物理学家们对他的理论不屑一顾，但对他所举办的学术会议却趋之若鹜。
因此，当年那几届索尔维会议就变成了量子论的大型研讨会，波爱之争的三个回合，正是起始于1927年、1930年、1933年的索尔维会议上。
爱因斯坦坚持经典的哲学思想和因果观念，对量子论的质疑要点在于“一个完备的物理理论应该具有确定性、实在性和局域性”。
爱因斯坦认为量子论中的海森堡原理违背了确定性。
根据海森堡的测不准原理，一对共轭变量（比如动量和位置、能量和时间）是不能同时准确测量，即要准确测定一个粒子在某时刻的速度，就无法测准其在此刻的位置，或者是，当准确测定一个粒子的能量时，就无法测准此刻的时间。
因此爱因斯坦說“上帝不掷骰子”。
这里“上帝掷骰子”不同于人掷骰子。
比如手掷一枚硬币的结果可正可反，如果我们对硬币飞出时的受力情況知道得一清二楚，就完全可以预期硬币掉下來的方向。
物理学史上的著名“理想实验”
物理学史上的著名理想实验在物理学发展的历史中，理想实验以其独特方式在物理学发展的许多关键时刻发挥了重要作用，直接或间接地导致了许多物理规律的发现和物理理论的建立。
下面我们一起欣赏物理学史上的著名理想实验，感怀物理学家的睿智。
1伽利略的“理想斜面”实验力与物体的运动的关系是力学的一个最基本的问题。
亚里士多德认为：物体的运动是由于外力的作用，当外力的作用停止时，运动的物体就会静止，所以力是维持物体运动的原因。
亚里士多德这一观点与人们的一些生活经验相一致，正是由于这样的原因，亚里士多德的观点易于被人们接受，以至于长期以来被人们奉为真理。
彻底推翻亚里士多德错误观点的是伽利略。
伽利略凭借的有力武器不是数学推导，不是真实的实验，而是理想实验。
伽利略设想：如图1在A点悬一单摆，拉至AB时放开，在忽略空气阻力的情况下，摆球会沿着弧线升至对面的C处。
如果在摆线经过的E或F处钉上小钉子，可以使摆球沿不同的弧线上升至同一水平高度G、H，由此得到单摆的等高性结论。
以单摆的等高性为基础，伽利略进一步设想，如图2中从A点释放一个光滑坚硬的小球，让它沿坚硬光滑的斜面AB下落。
到达B点后，小球将以获得的速度沿对面的BC、BD或BE中的某一斜面上升至通过A点的水平面，比较斜面BC、BD和BE，倾角越来越小，斜面越来越长，即小球在斜面上走过的距离越来越远，运动的时间越来越长。
当斜面的倾角为零而成为水平面BF时，物体由于不可能达到A点的高度而永远地运动下去。
至此，伽利略得出结论：“任何速度一旦施加给一个运动着的物体，只要除去加速或减速的外因，此速度就可以保持不变……”伽利略的结论从根本上否定了亚里士多德的“力是维持物体运动的原因”的错误论断，指出力与运动的正确关系是：力是改变物体运动状态的原因。
伽利略从单摆等高性的理想实验到理想斜面实验，忽略了空气阻力和摩擦力，而这些忽略在现实中都是无法真正实现的。
在真实的实验中，人们可以用各种方法减小空气阻力和摩擦力，但永远也无法彻底消除它们，因而人们无法用真实的实验去验证这些理想化的设想，但是，伽利略的理想实验，不仅让人们觉得合情合理，而且使人们透过了事物的表面现象，看到了事物的本质。
两个决定性实验告诉我们,世界是虚幻的
两个决定性实验告诉我们,世界是虚幻的在谈到前一个实验之前，我们必须先介绍一个被称之为“科学中最深刻的发现”的贝尔不等式，这个不等式的形式是：|Pxz-Pzy|≤1＋Pxy。
我们可以不用理会这个不等式的具体含义，也不用管贝尔是怎么推导出来的，我们只要知道，贝尔为我们提供了一种可能，即直接用实验数据验证量子理论。
贝尔不等式用数学语言告诉我们，如果我们的世界是经典实在的，那么不等式成立，反之，则不成立。
贝尔不等式使物理学家们用具体实验来验证ERP佯谬成为可能。
ERP佯谬是爱因斯坦和波多尔斯基以及罗森联合提出的一个思想实验。
天才的爱因斯坦建立了相对论，可是在他内心深处仍然渴望经典实在的世界，这方面他是保守的。
为了反驳量子理论，爱因斯坦提出了他的诘难：想象一个大粒子衰变成两个小粒子反向飞开。
如果粒子A自旋为“左”，粒子B便一定是“右”，以保持总体守恒。
按照量子理论，在观测之前，它们的状态是不确定的，只有一个波函数可以描绘它们。
当彼此飞离数光年后，我们开始观测粒子A，它的波函数坍缩了，瞬间随机选择了比如说“左”旋。
此时粒子B也必须瞬间成为“右”旋了。
那么B是如何得知A的状态呢？难道有超光速信号来回于它们之间？这显然违背了相对论。
1982年，法国奥赛理论与应用光学研究所的阿斯派克特小组第一次在精确意义上对EPR作出检验，这个实验被命名为阿斯派克特实验，实验结果毫无悬念的证明了量子理论的胜利，贝尔不等式不成立！之后若干物理学家多次重复检验，结果一致。
阿斯派克特系列实验是20世纪物理史上影响最为深远的实验之一，甚至可以和1886年迈克尔逊—莫雷实验相提并论。
面对实验结果，人们面临选择，要么保留实在性，要么保留定域性。
二者至少必须放弃一样。
如果保留实在性，定域性就必须放弃，这就意味着存在一种物理信号可以超光速传播。
而这与众多实验事实验证过的相对论相矛盾，显然不可取。
那么保留定域性，放弃实在性呢？这种选择是痛苦的，大多数人并不表态，也许是默认？因为这似乎是唯一的选择。
爱因斯坦与玻尔关于量子力学的世纪大战，爱因斯坦惨败！广义相对论狭义相对论物理学
爱因斯坦与玻尔关于量子力学的世纪大战，爱因斯坦惨败！广义相对论狭义相对论物理学哥本哈根学派认为：1.波函数精确地描述了单个体系的状态。
2.波函数提供统计数据，测不准关系的存在是由于粒子与测量仪器之间的不可控制性。
3.在空间，时间中发生的微观过程和经典因果律不相容。
爱因斯坦对此并不认同，一个没有严格因果律的物理世界是不可想象的。
他认为：量子力学可能出了问题。
爱因斯坦七十大寿时收到一份很别致的生日礼物，一本由25位学者合写的文集，书名是《阿尔伯特·爱因斯坦：哲学家─科学家》。
其中最长的一篇〈与爱因斯坦讨论原子物理中一些认识论问题〉出自老友玻尔之手，为两人多年来针对量子力学的争辩提供了重要史料。
众所皆知，这两位大师虽然私交甚笃，在这个问题上却势同水火，因此「爱因斯坦─玻尔论战」早已是物理学史上的专有名词。
根据玻尔的回忆，这场论战大致分成三个回合，时间分别是1927年、1930年以及1935年。
不过在这篇长达四十页半的文章中，玻尔主要是在探讨学术问题，很少触及两人亦敌亦友的微妙关系。
好在这三回合皆可算是公开赛，有不少目击者的记述能弥补这个遗憾。
●第一回合◎时间：1927年十月◎地点：比利时首都布鲁塞尔◎场合：第五届索尔维会议这场学术会议在科学史上占有重要地位，甚至有人将它视为量子力学的分水岭，认为哥本哈根学派在这场会议中大获全胜，摇身一变从非主流跃升为主流。
不过事实当然没有那么简单，我们顶多只能说，哥本哈根学派的表现让同行留下深刻印象，但距离真正发酵还有一段时间。
第五届索尔维会议另一方面，爱因斯坦个人倒是在这场盛会中吃了不少亏，不过并非在正式会议中，而是属于「会外赛」的性质。
这方面，我们有海森堡的第一手回忆：「我们通常在旅馆吃早餐时就聚在一起，爱因斯坦开始描述某个想象实验，用以突显哥本哈根诠释的内在矛盾。
然后，我陪着玻尔和爱因斯坦从旅馆步行到会议厅，一路上聆听两人生动的讨论，他们的哲学观差了十万八千里。
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! 论争过程中的理想实验
爱因斯坦同玻尔之间的争论是旷日持久的世纪 性大辩论 " 正是这种科学学术的辩论 " 大大地促进了 人们对量子论本质更深刻的认识 # 爱因斯坦和波尔 有一个共同之处 " 即两人同属理论物理学家 # 理论物 理学家的特征之一是需要非常好的数学才能 # 爱因 斯坦本人的数学已经是很好的了 " 但他说 $% 我总是 为同样的数学困难所阻 &# 由于研究的需要 " 他还专 门请了一个很强的年轻的数学助手 # 理论物理学家 的特征之二是无需在实验室进行操作性实验 " 但他 们必须提出验证科学假说的实验方法 # 通常他们根 据新的假说或者已有的科学原理进行实验设计 " 以 头脑思维的方式展开和完成实验过程 # 这种实验称 为思想实验 # 爱因斯坦与玻尔关于量子理论的争论 中 "双方就多次应用思想实验这一主要工具 # 爱玻之争开始于 !$%’ 年在比利时布鲁塞尔 召 开的第五届索尔维会议 " 会议原定的主题是 % 电子和 光子 &" 但却演变成对量子力学诠释的辩论 # 波恩和 海森堡主张的波函数的几率解释和矩阵力学及测不 准关系 " 他们认为 % 量子力学是一种完备的理论 " 他 的基本的物理假说和数学假说是不能进一步被修改 的 # & 洛仑兹 ()*+,-./0123 !"45#!$%"6 也提出 $% 人们 是不是可以相信决定论 ’ 难道非决定论是在原则上 不可避免的吗 ’ & 从而爆发了爱波之间第一次面对面
!!!!!!摘
要 )综述了爱因斯坦与玻尔关于量子力学基础理论的争论及内容’分析了论战形成的
原因及在其论战过程中提出的三个理想实验( 讨论了爱因斯坦应用理想实验是为了强调量子理 论内在逻辑的一致性和因果律’符合其一贯的哲学思想( 关键词)量子力学$ 完备性$ 理想实验 中图分类号) Q&6$5 文献标识码) . 文章编号)&(*+)+’&"%+!!,&!")!!&*)!"
!!!!!! 现行量子力学理论的基础是由海森堡的矩阵力
学 !薛定谔的波动力学 ! 玻恩的波函数几率解释以及 测不准关系所组成 " 量子力学的建立与绝大部分经 典物理的理论不同 # 它不是先有一定的实验现象 # 并 在此基础上建立较为完整数学表示体系 # 而是先有 数学表达形式 # 后有物理诠释的 " 无论是矩阵力学 # 还是波动力学仅是一套数学计算程序 # 因此 # 在物理 学发展史上爆发了一场空前的大争论 # 这一争论不 尽完善了量子理论 # 而且也促成了哥本哈根学派的 建立 #使之成为当今量子力学普遍认可的解释 " 争论 的双方显示了过人的智慧和敏锐的直觉 # 而争论过 程中使用的主要方法 $ 理想实验方法 # 更体现了物 理学的思想 ! 实验和数学的完美结合 # 勾画出自然界 的和谐与统一 #给人以美的享受 "
第 "$ 卷
２００５ 年 ８ 月 第&期
咸阳师范学院学报 Ａ ｕｇ!"#$% !"$ Ｎ ｏ!& ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸ ｉ ａｎｙａｎｇ Ｎ ｏｒｍ ａｌＵ ｎｉ ｖｅｒｓｉ ｔ ｙ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Ｖ ｏｌ
爱因斯坦和玻尔之争与理想实验
王立
8咸阳师范学院 物理系 # 陕西 咸阳 42"$$$ &
福 89:+;,1<=1>?’1),*+ 2342@25A4B 提 出 原 子 的 有 核 模 型 # 以及在 252A 年 玻 尔 8C=;1DE(,/* 233%@257"B 天 才 地把量子观念引入对原子光谱的理解 # 爱因斯坦敏 锐地在 2527 年运用玻尔的理论 # 直接推导出了普朗 克最初被迫引入量子概念的辐射公式 # 从而替普朗 克 8F/G)HDIJ’JK 23%3625&4B 解除了最大的心病 # 即为 什么在物体的发光辐射过程当中 # 我们不得不使用 量子的观念才能正确地理解其现象 " 令人惊奇的是 # 在这篇世纪初的文章当中 # 爱因斯坦顺便从理论上 提出了 %$ 年后才问世的激光原理 " 25"& 年量子力 学的奠基人之一德布罗意 8>, C1=L/(, 235"62534B 刚 提出物质波的假说 # 爱因斯坦就直接把这个假说拿 来用于研究气体的统计问题 # 从而建立了后来成为 量子统计方法的基础之一的玻色 6 爱因斯坦量子统 计理论 " 而基于这个理论 #后来人们通过实验验证了 电子波 # 从而证实了微观粒子确实同时具有波的性 质和粒子的性质 # 而这种所谓微观粒子的波粒二象 性 #正是随后诞生的量子力学最基础的概念之一 " 由此我们可以知道爱因斯坦确实在量子力学正 式诞生之前# 量子观念最重要的先行者" 不过从 25"% 年 开 始 # 追 随 玻 尔 的 年 轻 人 们 # 诸 如 海 森 堡 8M,(*,)0,1LDNJO 25#2@2547B! 波 恩 PC=1)DI 233" 6 254$B ! 泡 利 8FG:/(DNJ’ 25$$625%3B 等 人 发 动 了 一 场 物理学历史上最为波澜壮阔的理论狂飙 # 建立起了 最具叛逆精神的量子力学 # 并通过那一套令人眼花 缭乱的新鲜理论 # 迅速地解决了微观世界的种种疑 难问题 " 这时 #爱因斯坦却几乎是完全地退出了量子 理论发展的前沿阵地 " 原因很简单 # 爱因斯坦一方面先知似地认识到
是和古典物理学处理方式毫无不同的 &"% 在古典物 理学范畴内 " 客体和仪器之间的相互作用可以略去 不计 " 或者 " 如果必要的话 "可以设法将它补偿掉 # 但 是在量子物理学中 " 这种相互作用却形成现象的一 个不可分割的部分 # 因此 " 在距离上 " 真正量子现象 的无歧义的说明 "必须包括对于实验装置之一切有关 特点的描述 # &另外 "因果律和决定论不再成立 # 根据 量子理论 " 在同样安排和实验条件下 " 能够发生各种 不能预期的个体量子过程 "因而在宏观仪器上测到各 种不同的现象 # 虽然这些现象之间存在统计的关系 " 但和经典的统计力学有根本不同 # 在量子物理中 "不 管哪一种数学形式都存在人们关于微观客体的知识 随时间演变的规律 " 但它不是通常以下的因果律 "人 们必须放弃决定论 "而把几率看成是本质的 # 争论的另一个原因是关于量子力学的完备性问 题 # 爱因斯坦认为 $%! 函数不应当被看作是关于一 个体系的物理状态的一种完备的描述 &# % 就有重物 质来说 "( 量子力学 ) 所含的真理差不多同不用量子 的光学理论同样多 # 他们似乎都是一种正确的统计 规律 " 但对于单个基元过程还缺乏充分的理解 # & 相 反 " 波尔则认为 $% 量子力学在一致性和完备性方面 是满足有关合理解释的一切条件的 # &
收稿日期： ２００５－０４－２５ 编号： ０２ＸＳＹＫ２０７） 。 !资助项目!陕西省教育厅科研基金资助项目"!"#$%!!#$咸阳师院科研基金资助项目（ 作者简介：王 立%&’(!)&’男’陕西省浦城县人’咸阳师范学院物理系教授’图书馆馆长(
! !念的真实性 " 另一方面却完全不相信玻尔 等人所做出的对于量子实质的解释 " 因为一种似乎 破坏了因果律和客观实在性的量子力学完全不符合 他自己对于物理理论的理解 # 当海森堡 # 波恩 # 约尔 丹的量子力学系统理论成型之后 " 爱因斯坦一开始 就表达了强烈的不信任 $% 最近的理论所提供的最有 趣的东西可说是海森堡# 波恩 # 约尔丹关于量子态的 理论 # 真是一种魔术般的计算 " 在那里 " 无穷行列式 代替了笛卡尔坐标 # 极其巧妙 " 极其复杂 " 足以保护 它不至被人们查出其谬误 # &爱因斯坦认为微观客体 可以被精确的表达和测定 " 而物理学的目在于追寻 现象的直接原因 " 这种原因一旦被找到即以决定论 方式无一例外的精确的再现出来 # 他认为 $% 量子物 理学向我们显示了非常复杂的过程 " 为了适应这些 过程 " 我们必须进一步扩大和改善我们的因果性概 念 # &% 未来同过去一样 " 它的每一细节都是必然的和 确定的 # &%关于因果性问题也是我非常烦恼 # 光的量 子吸收和发射究竟能以完全的因果性要求的意义去 理解呢 ’ 还是一定要留下一点统计性呢 ’ 我必须承 认 "在这里我对自己的信仰缺乏勇气 # 但是 " 要放弃 完全的因果性 " 我会很难过的 # &% 像物理体系的 ( 实 在状态 ) 这样的事是存在的 " 它不依赖于观察量或亮 度而客观地存在 " 并且原则上是可以用物理表示方 式来描述的 &# 这些就是爱因斯坦的基本观点 " 主张 万物满足因果性 # !!!!!!实际上 "爱因斯坦自己一直都在追求对于量子的 透彻理解 "!$%& 年他给朋友的一封信里面写道 $% 在 科学方面 " 我几乎不停息地研究量子问题 " 我真诚地 相信 "我走的路是正确的 # &!$&$ 年 "晚年的爱因斯坦 写道 $% 我对统计性质的量子理论的反感不是针对它 的定量的内容 "而是针对人们现在认为这样处理物理 学基础在本质上已是最后方式的这种信仰 # &可以说 " 爱因斯坦把量子力学目前的形式看成是一个半成品 " 固然这个理论总是正确的 "但还是不符合爱因斯坦对 于属于物理学基础的最终理论的理想 # 作为爱因斯坦的对立面* ** 以玻尔为首的哥本 哈根学派对量子力学的解释 # 玻尔认为承认现有量 子理论的数学形式是统一的 " 它可以用薛定谔方程 和波函数表示 " 量子力学的建立的物理基础是量子 跃迁假定 + 对应原理和测不准关系 # 为了在逻辑上能 完全自洽 " 他们对现有的量子现象的物理结论在哲 学上作了延伸和解释 " 提出了著名的互补原理 # 意在 强调量子现象中客体和主体的不可分性 " 量子物理 学所安排的实验仪器 " 并不是人们感官知觉的直接 延伸 " 人们观察到的现象并不是人们认定的微观客 体本身的行为 # 波尔说 $% 量子物理学中的观察问题 "