科学史上最伟大的辩论

序言

        在人类科学史上，曾经发生过许多次重大的学术论战，但论及双方的地位、论战的深入和影响，相对论大师爱因斯坦与量子力学大师玻尔因量子力学而爆发长达近三十多年的论战最有资格被称为巅峰对决，尤其是这两大旷世奇才1930年在第六届索尔维会议上针对“爱因斯坦光量子箱”展开的辩论招数精奇，才气横溢，气势磅礴，令人叹为观止。

背景 

图1  量子理论的三大先驱

        普朗克、爱因斯坦与玻尔是量子理论的三大先驱，代表量子理论的三个不同阶段。普朗克提出了能量子的概念，但是他是个不情愿的革命者，并不充分认识量子理论的革命性——它意味经典物理学的终结；爱因斯坦发现了光量子，他立即认识到量子与经典理论的对立性，他对这种理论局面感到不舒服；玻尔是物质结构的量子理论的创立者，他把量子概念用于单个微观体系原子或分子，他也立即意识到量子理论的革命性，适应了新的理论局势，并对这种局势做出哲学概括——这就是1927年玻尔提出的互补（并协）原理，同年海森堡（玻尔学生）提出了测不准关系原理。互补原理与测不准关系原理是量子力学理论的两大支柱，在此以测不准关系原理为例说明，测不准关系原理的大意是：人们无法同时准确地确定粒子的位置与动量（或能量与时间等），即如果我们确定了粒子（如核外电子等）的位置，则无法确定粒子的动量，反之亦然！

      测不准关系原理迫使我们不得不放弃要求严格的物理学因果关系的思想，这是在基本的科学哲学观上意义最深远的变化！其意义如此重大，以致某些伟大的科学家如爱因斯坦等人从来不愿接受它！由此爆发了史无前例的学术大论战，当时几乎所有在世的理论物理学家都被卷入其中。1927年，在第五届索尔维会议上，爱因斯坦设想了一些理想化实验来反对测不准关系原理与互补原理，但均被玻尔一一驳回，当爱因斯坦用尽十八般武器丝毫占不到上风后，他停止了比拼，闭关三年，准备在第六届索尔维会议上与玻尔赤膊上阵！

对决

    吸取在第五届索尔维会议上的教训，经过三年精心准备，1930年在第六届索尔维会议上爱因斯坦带来了“爱因斯坦光量子箱”，在这位物理学大师看来它将给量子力学以毁灭性打击：如图2，盒中装有一些辐射物质，盒子一侧有一个小洞，洞口有一块挡板。盒子里放有一只能控制挡板开关的钟，盒子的重量是可以测出来的。盒子里的钟能在某一时刻将小洞打开，放出一个粒子（光子或电子），这样粒子跑出前后盒子的重量也可以准确地测量出来，根据爱因斯坦相对论的质能公式E＝mc²，粒子的能量也可以准确地确定，这样得出在准确地时间释放出准确的能量的结论，于是测不准关系以及互补原理不再成立，因果律和准确性都恢复了。

图2  爱因斯坦光量子箱

        这可以说是爱因斯坦凝聚了毕生功夫的一击，其中还包含了他的成名绝技相对论，史载：对此毫无思想准备的玻尔大吃一惊，目击者称，玻尔脸如死灰，呆若木鸡！参与会议的罗森菲尔德在回忆录中描述说：

    “（玻尔）极力游说每一个人，试图使他们相信爱因斯坦说的不可能是真的，不然那就是物理学的末日了。但是他想不出任何反驳来。我永远不会忘记两个对手离开会场时的情景：爱因斯坦的身影高大庄严，带着一丝嘲讽的笑容，静悄悄地走了出去。玻尔跟在后面一路小跑，他激动不已，词不达意地辩解说要是爱因斯坦的装置真的管用，物理学就完蛋了。”

图3  索尔维会议上爱因斯坦与玻尔

这是量子力学最为凶险的时刻！作为一代宗师，玻尔在关键时刻力挽狂澜，尽显英雄本色。他经过一夜苦思，终于想出了破解此招的方法，一个更加妙到巅毫的巧招。

　　罗森菲尔德接着说：

“第二天早上，玻尔的胜利便到来了。物理学也得救了。”

玻尔指出：在粒子跑出盒子的过程中，盒子必然在重力方向上发生位移，而根据爱因斯坦广义相对论，钟在沿重力方向发生位移的过程中，它的快慢会发生变化，即引力场可以使原子频率变低，也就是红移，等效于时间变慢（注：1967年的第13届国际计量大会将1秒定义为：铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9,192,631,770周期所持续的时间）。因此，由钟所读出的时间就会由于这个粒子的跑出而有所改变，由此引出的误差正好满足不确定关系。也就是说，在爱因斯坦的装置里，假如我们准确地测量光子质量或者能量时，我们就根本没法控制光子逃出的时间！

图4  如图

史载：对此毫无思想准备的爱因斯坦大吃一惊，他可以不相信玻尔，但他怎么能不相信自己的相对论？据目击者称，爱因斯坦脸如死灰，呆若木鸡！玻尔的身影高大庄严，带着一丝嘲讽的笑容，静悄悄地走了出去。现在没什么好怀疑的了，因果性必须死，因为物理学需要生！

人群奔向玻尔！

图5  索尔维会议——高智商盛宴

影响

一场世界大战结束后往往产生新的世界格局，同样，玻尔与爱因斯坦的巅峰对决后人们将哥本哈根解释奉为量子力学的正统解释，哥本哈根的玻尔理论物理研所成为无数青年学子朝圣中心，这一研究所培养了大量的杰出物理学家，在量子力学的兴起时期成为全世界最重要、最活跃的学术中心，对量子力学的孕育、诞生和哲学诠释做出独到的贡献。有人统计，全世界有30多个国家的近千名现代物理学家曾经或长或短地在该研究所里工作过，其中有17人获得诺贝尔奖（涉及物理、化学与生理或医学奖），这是无以伦比的成就！

没有相对论，我们或许没有未来，但肯定拥有现在；但没有量子力学，我们的现在和未来都没了！我们的现代文明，从电脑，电视，手机到核能，航天，生物技术，几乎没有哪个领域不依赖于量子论；在自然哲学观上，量子论带给了我们前所未有的冲击和震动，改变了整个物理世界的基本思想。

启示

玻尔破解爱因斯坦盒子的方法发人深思。个中韵味玄之又玄，妙不可言，似“阴阳八卦”学说：

我国古代思想家认识到一切现象（天地、日月、昼夜、阴晴、寒暑、水火等）都具有正反两个方面，就用阴阳这对概念来解释自然界两种对立和相互消长的势力。《老子》提出：“万物负阴而抱阳”，认为任何事务都存在着阴与阳的矛盾，而阴阳二气又处于一个统一体之中；《易经》提出“一阴一阳之谓道”的原则，把阴阳概念上升为“范围天地”、“曲成万物”的最高哲学范畴，成为关于解释天地万物和宇宙原型的体系，形成比较系统完整的阴阳学说，伏羲先天八卦太极图是阴阳学说的直观表达：

图6  阴阳八卦图

八卦图中间的核心部分是具有黑暗的阴（黑色）和明亮的阳（白色）的对称图案，表示任何既对立又统一的矛盾双方，俗称阴阳鱼。矛盾对立的每一方称为一个极。两级之间能动地联系在一起而形成对称的布局，但这种对称不是静态的，而是表示一种循环运动，黑白两部分形成互补图像，表明阴阳两级既相互对立，又相互依存，任何一方都不能脱离对方而单独存在。阴在下方最盛，而阳逐渐增多；阳在上方最盛，而阴逐渐增多，“阳还终始，阴极返阳。”图中的两个圆点象征着这样的概念，就是每当这两种力量中的一方达到自己的极端时，在其中就已经有了它的对立面的萌芽（注：玻尔曾表示，中国的阴阳八卦图最能表达他的互补原理理念）。

当爱因斯坦将相对论融入爱因斯坦盒子形成强大的“阴极”时，也为破解埋下“阳极”的种子——相对论！玻尔找到这粒种子并使其茁壮成长。

人生，又何尝不是如此呢……

                                                        本文初稿写于2011.1，修改于2018.6