爱因斯坦和玻尔的三次论战

《宇宙物理学简史》

——爱因斯坦和玻尔的三次论战

作者：赵文华

爱因斯坦和玻尔的三次论战，在物理史上是绝无仅有的一次，因为这是两个顶级的物理学家进行的三次论战，争论对象是最尖端的量子论，经历时间最长，也最激烈，又始终保持的友好的争辩态度。

在他们之间思想的碰撞和交流，不仅稳定了量子论的根基，也促进了科学的发展，矛与盾的斗争必然会激起绚丽的火花。

他们二人的论战是在著名的索尔维会议开始的，索尔维是一名实业家，靠着他发明的一种制碱法而致富，据说他财大气粗后，自信倍增，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，尽管物理学家对于他的理论不屑一顾，但是他举办的索尔维会议确是趋之若鹜。

我们从下面这张照片就可以看出，索尔维会议是一场极其不平凡的会议，顶尖的物理大师云集在一起。

第一次论战就是在1927年的第五届索尔维会议展开的，大概是10月份，玻尔，爱因斯坦，普朗克，德布罗意，康普顿，狄拉克，薛定谔，海森堡，泡利等科学家聚集在一起，这些都是为量子理论做出突出贡献的大佬级别的人物。

我们看到爱因斯坦坐在了最前排比较显眼的位置上，主要是因为它提出的跨世纪的理论相对论，还有著名的光电效应理论，这些成就是当时任何一个物理大师都无法企及的。

当时，量子理论刚刚发展起来，还不是十分的完备，他们对自己铸造的量子理论，还有许多谜团，应该如何去更好的理解和诠释量子世界大家莫衷一是，众说纷坛。

爱因斯坦坚持自己对经典事物的实在性的观念和看法，他在会上指出上帝不掷骰子，他认为一个完备的物理理论应该具有确定性，实在性和局域性。

会上的爱因斯坦认为，量子理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，比如说动量和位置，能量和时间，它们是不能同时准确测量的，当测定一个粒子在此刻的速度时，就无法准确的测准在此刻的具体位置，反之，如果要准确的测定位置，就不可能准确的测定速度。

爱因斯坦坚持的实在性，类似于马克思的唯物主义观念，他认为物质世界的存在不依赖于观察手段，月亮挂在夜幕上，不管我们看它，还是不看它，它仍然在天上。

在这一次辩论中，爱因斯坦他败下了阵来，以玻尔代表的哥本哈根派对量子论的解释获胜，会议结束后，还发生了陆陆续续的辩论，爱因斯坦设计的一个又一个巧妙的想法对玻尔发难，最终都被玻尔快速的一一化解击破。

爱因斯坦和玻尔的第二次论战发生在1930年的秋季，那是第六届的索尔维会议，早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的实验方案，这个实验在当时被称为光子盒思想实验，实验装置是一个一侧有小洞的盒子，如下图：

图中可以看到，洞口放置着一块挡板，里面还放置了一只可以控制挡板开关的机械钟，在小盒里还装有一定数量的辐射物质，这只钟能在某一时刻将小洞打开，放出一个光子来，这时，光子跑出的时间就可以精确的测量出来，由于盒子悬挂在弹簧秤上，盒子整体减少的质量，也就是光子的质量，便可以轻而易举的测得，最后根据质能关系2mc E ，便可以得到能量的损失，这样，时间和能量都同时测准了。

爱因斯坦自信满满的通过这个实验说明测不准关系是不成立的，玻尔一派的观点是不对的。

在他描述完他的光子盒实验以后，爱因斯坦看着哑口无言，搔头抓耳的玻尔，心中暗暗得意，不过好梦不长，只过了一个夜晚，玻尔在第二天找到了应对办法。

玻尔用爱因斯坦的广义相对论，戏剧性的指出了爱因斯坦这一思想实验的缺陷。玻尔的看法是这样的，光子跑出后，挂在弹簧秤上的小盒质量会因为变轻而上移，根据爱因斯坦的广义相对论，如果时钟沿重力方向发生位移，它的快慢会发生变化，这是引力产生的时间膨胀效应，因此小盒里的机械钟读出的时间就会因为这个光子的跑出而有所改变。

能量和时间再次构成了一对测不准的量，如果要测定光子的能量，就不能精确得到光子逸出的时刻，海森堡的测不准原理依然成立。

爱因斯坦尽管听的目瞪口呆，但是仍然没有被说服，不过这次之后，他不得不有所退让，承认了玻尔对量子力学的解释不存在逻辑上的矛盾，量子论也许是自洽的。

尽管玻尔用广义相对论回击了爱因斯坦的光子盒模型，但是自己心中仍然不十分的踏实，他感觉到自己的辩论中存在投机取巧的嫌疑，从经典的广义相对论是应该不可能得到量子力学的测不准原理的。

玻尔对于这件事情一直耿耿于怀，直到1962年去世，据说他的工作室黑板上还一直留着当年爱因斯坦的那个光子盒图。

爱因斯坦和玻尔的第三次论战本来应该发生在1933年的第七届索尔维会议，可是爱因斯坦却未能列席，他被纳粹赶出了欧洲，刚刚风尘仆仆的到达美国，之后被聘为普林斯顿高等研究院教授。

在第七届的索尔维会议，德布罗意和薛定谔出席了会议，但是薛定谔没有见到爱因斯坦暂时不想发言，德布罗意也不想单独与人辩论，这令玻尔大大的松了一口气，会上哥本哈根派唱独角戏，看起来量子论的根基牢固，论战似乎已经尘埃落定。

然而，爱因斯坦可不是那么容易服输的，尽管他当时因为战争而流离失所，未能参加索尔维会议，尽管到了知天命的爱因斯坦，他仍然十分的关注量子力学的进展，并更加深入的思考量子理论所涉及的哲学问题，他找到了两个合作者，当时构成了一个被物理学家称为不是十分恰当的组合。

这两个人分别是波多尔斯基（Boris Podolsky）和罗森（Nathan Rosen），他们是爱因斯坦在普林斯顿高等研究院的助手，后来发展起来的EPR徉谬就是以爱因斯坦，波多尔斯基和罗森三个人署名的第一个字母命名的。

1935年3月，Physics Review 杂志上发表了EPR论文，自此之后，EPR徉谬开始流传开来。

和光子盒一样，这是一个思想的实验，在现实的世界中根本无法做到，或者很难做到，这篇论文的数学表述也是异常的复杂，后来，博姆用电子的自旋来描述这一切，简单易懂多了。

为了说明这一实验，需要考虑一个两粒子的量子系统，这分为两种情况，一种是两个粒子互不干扰和耦合，各自遵循着自己的规律，在这种情形下，整个系统的状态可以写成两个粒子状态的乘积，对于每个粒子而言，拿自旋来说，它是自旋上和下按照一定概率分布构成的叠加态。

这种情况可以看做是有两个独立单粒子组成的，除了量子系统所具有的叠加态之外，没有产生任何有意义的新东西。

另外一种情况，就会非常的有意思，就是当两个粒子相互关联，无法将整个系统描述成两个粒子状态乘积的时候，我们借用纠缠来描述两个粒子之间的相互关联，也就是说，这种情形下，两个粒子的叠加态相互纠缠在一起，使得测量的结果相互影响，即使当两个粒子分开很远的距离时，这种似乎能瞬间相互影响的纠缠照样存在。

为了更好的理解这一种情况，拿掷骰子来说明两个粒子相互纠缠的状态，我们把两个纠缠的粒子比喻成从机器中吐出的骰子，为了更加符合场景，就需要成对的骰子来说明，这些成对的骰子分别朝着两路射出去，互相分开越来越远，并且每个骰子在各自的路径上不停地随机滚动，它的数值是不定的，有1到6，每个数值的出现概率为六分之一。

这里需要引入两个观察者A和B进行观察，A和B两个人相距很远，他们会得到怎样的结果呢？

如果他们只看自己这一边的观察数据，每个人都得到一连串的1到6的随机序列，这一点再平常不过了，但是，把他们的观测结果拿到一起来比较的话，就会看出规律来，在他们同时观测的那些时间点，两边的骰子所显示的结果总是相互关联的，如果A的观测结果是6，

B的观测结果也是6，如果A的观测结果是3，那么B的观测结果也是3。

量子力学的纠缠态，就和上面的例子类似，量子纠缠的意思就是，两个粒子的随机行为之间，发生了某种关联，上面的关联是结果相同，但实际也可以是另外一种方式，比如说，两个结果相加等于8的情形，A看到的结果是5，那么B看到的结果就是3，如果A看到的结果是7，那么B看到的结果就是1，只要存在某种关联，我们就说这两个粒子相互纠缠。

爱因斯坦等三人的EPR徉谬，提出了一个不稳定的大粒子衰变成两个小粒子，这两个小粒子分别是a和b，它们分别朝相反的两个方向飞出去，假设粒子有两种可能的自旋，分别是上和下，那么，a粒子的自旋为上，b粒子的自旋就一定为下，只有如此，才能保证整体的守恒，反之亦然。

此时，我们就可以说这两个分开的粒子构成量子纠缠态，两个粒子朝相反的方向运动，根据守恒定律，无论相距多远，它们应该永远是上和下相关联的。

现在引入观测着A和B，他们分别对两个粒子a和b进行测量，根据量子力学的说法，只要A和B两个观测者还没有进行测量，每个粒子都应该处于叠加态，拿粒子的自旋来说，应该是上和下各为50%概率的叠加态。

然而，一旦进行观测，比如A对a粒子进行测量，a粒子的叠加态便在一瞬间塌缩了，假设a粒子塌缩为上的状态，那么，根据守恒定律，B观测的b粒子状态一定为下。

但是，问题来了，a粒子和b粒子之间相隔甚远，几十光年，为什么b粒子总是为下呢，a粒子和b粒子就像即时的互通信息一样，当a粒子的状态改变，b粒子的状态也作出相应的改变，这种超距的物理作用在物理学上是不被允许的，于是就生成了徉谬。

爱因斯坦等三人对于这个徉谬的成功生成洋洋自得，他们认为玻尔等人对量子论的几率解释是站不住脚的。

爱因斯坦本以为难倒了玻尔，可令人意想不到的是，玻尔经过深思熟虑以后，马上做出了回应。

玻尔认为微观的实在世界，只有和观测手段连接起来才会变得有意义，在观测之前，谈及每个粒子自旋为上或为下是没有任何意义的，另一方面，因为两个粒子形成了一个相互纠缠的系统，它们是一个整体，只有被函数描述的整体才有意义，不能将它们视为两个相隔甚远的分体。

既然是一个协调相关的一体，它们之间便无需传递信息，爱因斯坦的思想实验设计也就不攻自破了。

爱因斯坦坚持的是一个无需观察者的经典世界，和量子世界完全相悖，量子世界需要一个观察者，认为只有观察者存在，量子世界才有意义，这也是哥本哈根的主要思想。

一场“经典的局域实在观”和一场“量子非局域的实在关”的辩论就到此结束了，玻尔以三次完胜而结束，在这三场辩论中，不仅稳固了量子论，也让大家理解了量子的哥本哈根解释。