走进后相对论时代（三十）

    刘文旺

    这就是相对论的建立过程及其主要内容。，从中我们会发现同我们介质中的狭义相对论的建立过程是一样的。不用再往下进行下去。介质中的相对论就否定了爱因斯坦的狭义相对论。而爱因斯坦的广义相对论则是建立在狭义相对论的钟慢尺缩的基础上的，狭义相对论的错误为爱因斯坦的广义相对论奠定了错误的基础，这一点从我们前一篇的博文的开始的计算（这时科学界首次的计算）——水星的进动就可以明显看出。

    科学家总是集中产生，科学成就也就随之同步诞生。但是彼此的争论是必不可少的。典型的就是牛顿同众多的科学家之间的争论——牛顿通莱布尼茨胡克都有争论——从万有引力的发现，到光的波动说与粒子说。

    不过我们知道的最多的还是哥本哈根学派、波尔和爱因斯坦的世纪争论

波尔和爱因斯坦的世纪争论

引自百度：作者：锺村老人 QQ空间 Q有删改

玻尔与爱因斯坦的争论

    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。

这实际上是把局部的内容香型拓展到了不适合的领域，从今天看来，本人也认为这是不完善的。这也体现在遭到同样是量子理论的奠基人的爱因斯坦、薛定谔等人的发对。我们知道，薛定谔方程在量子力学中的地位，相当于牛顿定律在经典物理中的地位。这些人都是量子理论中的奠基人，是重量级人物。

这不是什么个人之间的恩怨，也不是什么派别之间的恶斗。而是量子力学发展过程中认识不断深入的过程。也是量子力学的发展、完善的过程。
    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。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；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。
    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：
    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。”
    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。

下面我们看看论战过程，
    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。
    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。
    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 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，所以只能得出不确定的结果。）爱因斯坦的发言掀起了波浪，也从此引发了他和玻尔之间就量子力学诠释问题的公开争论。
    爱因斯坦的单缝衍射实验：爱因斯坦提出了一个“单缝衍射”理想实验，来说明自己的观点。如图所示。一束电子射向遮光屏S，通过小孔O在半球面胶片P上得到衍射图像。这可用两个观点进行解释：
    第一种观点认为，“同德布罗意---薛定谔波相对应的，不是一个电子，而是一团分布在空间中的电子云”； |Ψ2|表示在被观察的那一部分空间电子云中，一个粒子存在的几率。“量子论对于任何单个过程是什么也没有说，它只是给出关于一个相对说来无限多个基元的集合的知识”；
    第二种观点认为， “量子论力图完备的描述某些单个过程。落到S上的每个粒子，不是由位置和速度来表征，而是用一个…德布罗意---薛定谔波束来描写的。这个波束经受了衍射之后，它的一部分落到胶片P上。” |Ψ2|表示在所考察的时刻一个特定粒子存在于所给地方的几率。“这样，量子论是研究一个单个过程，并且力图充分的描述全部的事实和规律性。”
    爱因斯坦认为，第二种观点包含了第一种观点的全部结果，但相反的论断却不能成立，这是同相对性的假设相矛盾的。
接着他具体阐述了反对第二种观点的看法：“如果认为， |Ψ2|是简单地给出了在被观察的胶片上的某一部分在给定的时刻某个粒子存在的几率，那么，由此就必须得出这样的结论：一个同一的基元过程在胶片的第二个或者更多个地方起作用。然而，认为对应于|Ψ2|的，是表示一定粒子存在于完全确定的地方的几率，这样的一种解释就必须以完全特殊的超距作用为前提，而不允许连续分布在空间中并且同时在胶片的二个部分表现出自己的作用的波的存在。”
玻尔经过认真思考，指出：不能避免在测量时仪器对电子不可控制的相互作用，即电子与狭缝边沿的相互作用。
     双缝干涉实验：爱因斯坦又想出了一个类似托马斯?杨的双缝干涉实验，如图所示。如果让大量电子通过A、B，会在屏C上出现干涉条纹。若控制电子枪O，让它一个一个的发射电子，屏C上就会出现一个一个的亮点，并可测量他们的位置。如果分别关闭M或N，就可以知道电子是通过M还是N，从而可测出电子的准确路径。
由干涉条纹可计算电子波的波长，从而可精确确定电子的动量。否定了测不准关系。
    玻尔经过认真思考后反驳说，如果关闭狭缝N和M中的任一个，实验状态就完全改变了，在双缝开启时出现的干涉现象就不再出现，实验回到了单缝状态，只不过先后通过了两条单狭缝，等于多了一次与狭缝相互作用的不确定因素。更重要的是，电子行为依赖于壁障上有没有另一条狭缝，即依赖于我们对实验的安排。这样，玻尔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说明波粒二相性的例子。

这场争论至今没有结束，者出现在霍金与彭罗斯之间。前者代表量子理论，而后者则代表爱因斯坦。不过随着霍金的离去，这场辩论如何进行，还请我们注意观察。但有一点可以肯定，这场辩论不会终结。

就我个人的观点，爱因斯坦相对更清醒一些！

（未完待续）