量子力学史话：玻尔与爱因斯坦的争论

量子力学史话：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，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。

歌本哈根学派中，对量子力学的创立和发展做出了杰出贡献的代表人物有：玻尔、海森堡、泡利和玻恩等人。海森堡的“不确定性原理”和玻尔的“互补原理”、玻恩的波函数的几率诠释，共同构成了哥本哈根学派诠释量子力学的几大主要支柱。1927年后（也即本文所讨论的大争论之后），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。其主要核心理论如下：

①波函数的几率诠释：在微观领域里，经典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，人们必须放弃经典力学意义上的因果律和决定论，而把量力力学的几率性看成是本质的。

②不确定性原理：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“不确定性原理”（uncertainty principle）——历史上又称作“测不准原理”或“不确定关系”。海森堡不确定性原理是量子力学的一个基本原理。为了说明他的不确定性原理，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。通过仔细分析，海森堡得出电子坐标的不确定程度Δx和动量的不确定程度Δp遵从：Δx·Δp≤h/4π；同样，能量和时间这种正则共轭物理量也遵从测不准关系。海森堡认为“这种不确定性，正是量子力学中出现统计关系的根本原因”。

③互补原理：海森堡认为，测不准关系的存在，表明了位置和动量、时间和能量这些经典概念在微观领域的适用界限；玻尔则认为这一原理并不表明粒子语言和波动语言的不适用性，只是表明同时应用它们既是不可能的，但又必须同等应用它们才能对物理现象提供完备的描述。也就是说，微观粒子具有波粒二相性，正是用经典语言描述微观客体的结果，但经典理论中波和粒子这两种图象却不能同时存在，它们是相互排斥的，并且，无论是那一种图象都不能向我们提供微观客体的完整描述；只有把这两种图象结合起来、相互补充，才能提供微观客体的完整描述。这就是玻尔的互补原理。这种互补概念适用与整个物理学，甚至成

为一种哲学原理。

哥本哈根学派的主要思想和观点大致可概括为四个方面：

①可观察量是建立理论的基础和依据。

②量子跃迁是量子力学的最基本概念。

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。

④从实验中所观察到微观现象，满足测不准关系和互补原理。

2．爱因斯坦的观点

以爱因斯坦为首的另一部分物理学家，如薛定谔、德布罗意等对哥本哈根学派的观点提出了质疑。主要表现在两方面：

①因果性还是几率波？

早在1920年1月27日，爱因斯坦针对泡利反对连续区理论的观点表示了他自己对“完全的因果性”的信念。1924年4月爱因斯坦给玻恩夫妇的信中，他针对玻尔关于辐射的波动在本质上是几率波的假设而评论说：“玻尔关于辐射的意见是很有趣的。但是，我决不愿意被迫放弃严格的因果性，将对它进行更强有力的保卫。我觉得完全不能容忍这样的想法，即认为电子受到辐射的照射，不仅它的跳跃时刻，而且它的方向都由它自己的自由意志去选择。”

②量子力学仅可建立在可观察量的基础上？

爱因斯坦对这一观点也提出异议。1926年春天，他在海森堡的一次谈话中，提出了“是理论决定我们能够观察到的东西”的观点。

3．论战的爆发

①序幕：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。即以传统的连续性观念，代替量子力学理论中的间断性观念。薛定谔的这一想法一提出来，立即遭到玻尔的强烈反对。这一争论可以看做是爱因斯坦和玻尔争论的序幕。

②玻尔的互补原理：1927年9月，在意大利科摩召开的一次纪念意大利科学家伏打逝世一百周年的会上，玻尔第一次提出了“互补原理”。这篇演说不仅用物理学语言，而且还用了大量的哲学语言。这使科学家们感到震惊。薛定谔和老厄不赞成玻尔的观点，尤其是不同意把物理学建立在测不准关系或其他不确定的统计解释上。

③论战开始：几个星期后，1927年10月在布鲁塞尔召开了第五次索尔维会议。会议主题是“电子和光子”。在玻恩和海森堡做关于矩阵力学的报告时指出：“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。接着玻尔阐述了他的“互补原理”，重复了他在科摩会议上的观点。由于爱因斯坦一直对量子力学的统计解释感到不满，他曾在1926年12月给玻恩写信时说：“上帝不是在掷骰子”，当玻恩问到爱因斯坦的意见时，爱因斯坦表示赞同量子力学的系综几率解释，但不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论的观点。（爱因斯坦对测不准关系和量子力学的几率解释极为不满，认为这是由于量子力学主要的描述方式不完备造成的，所以