上帝掷骰子吗-量子物理史话-第27部分
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。爱因斯坦坚信，量子论的基础大有毛病 ，从中必能挑出点刺来，迫使人们回到一个严格的，富有因果性的理论中来。玻尔后来回 忆说：“爱因斯坦最善于不抛弃连续性和因果性来标示表面上矛盾着的经验，他比别人更 不愿意放弃这些概念。” 两大巨头未能在科莫会议上碰面，然而低头不见抬头见，命运已经在冥冥中安排好了这样 的相遇不可避免。仅仅一个多月后，另一个历史性的时刻就到来了，第五届索尔维会议在 比利时布鲁塞尔召开。这一次，各路冤家对头终于聚首一堂，就量子论的问题作一个大决 战。从黄金年代走来的老人，在革命浪潮中成长起来的反叛青年，经典体系的庄严守护者 ，新时代的冒险家，这次终于都要作一个最终了断。世纪大辩论的序幕即将拉开，像一场 熊熊的大火燃烧不已，而量子论也将在这大火中接受最严苛的洗礼，锻烧出更加璀璨的光 芒来。 布鲁塞尔见。
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饭后闲话：海森堡和德国原子弹计划（一） 如果说玻尔…爱因斯坦之争是二十世纪科学史上最有名的辩论，那么海森堡在二战中的角 色恐怕就是二十世纪科学史上最大的谜题。不知多少历史学家为此费尽口水，牵涉到数不 清的跨国界的争论。甚至到现在，还有人不断地提出异议。我打算在这一章的饭后闲话里 专门地来谈一谈这个话题，这件事说来话长，可能要用掉一整章，我们还是废话少说，这 就开始吧。 纳粹德国为什么没能造出原子弹？战后几乎人人都在问这个问题。是政策上的原因？理论 上的原因？技术上的原因？资源上的原因？或是道德上的原因？不错，美国造出了原子弹 ，他们有奥本海默，有费米，有劳伦斯、贝特、西伯格、魏格纳、查德威克、佩尔斯、弗 里西、塞格雷，后来又有了玻尔，以致像费因曼这样的小字辈根本就不起眼，而洛斯阿拉 莫斯也被称作“诺贝尔得奖者的集中营”。但德国一点也不差。是的，希特勒的犹太政策 赶走了国内几乎一半的精英，纳粹上台的第一年，就有大约2600名学者离开了德国，四分 之一的物理学家从德国的大学辞职而去，到战争前夕已经有40％的大学教授失去了职位。 是的，整个轴心国流失了多达27名诺贝尔获奖者，其中甚至包括爱因斯坦、薛定谔、费米 、波恩、泡利、德拜这样最杰出的人物，这个数字还不算间接损失的如玻尔之类。但德国 凭其惊人的实力仍保有对抗全世界的能力。 战争甫一爆发，德国就展开了原子弹的研究计划。那时是1939年，全世界只有德国一家在 进行这样一个原子能的军事应用项目。德国占领着世界上最大的铀矿（在捷克斯洛伐克） ，德国有世界上最强大的化学工业，他们仍然拥有世界上最好的科学家，原子的裂变现象 就是两个德国人——奥托？哈恩（Otto Hahn）和弗里兹？斯特拉斯曼（Fritz Strassmann ）在前一年发现的，这两人都还在德国，哈恩以后会因此发现获得诺贝尔化学奖。当然不 止这两人，德国还有劳厄（1914年诺贝尔物理）、波特（Bothe，1954诺贝尔物理）、盖 革（盖革计数器的发明者，他进行了α散射实验）、魏扎克（Karl von Weizsacker）、 巴格（Erich Bagge）、迪布纳（Kurt Diebner）、格拉赫（Walther Gerlach）、沃兹（
Karl Wirtz）……当然，他们还有定海神针海森堡，这位20世纪最伟大的物理学家之一。 所有的这些科学家都参与了希特勒的原子弹计划，成为“铀俱乐部”的成员之一，海森堡 是这个计划的总负责人。 然而，德国并没能造出原子弹，它甚至连门都没有入。从1942年起，德国似乎已经放弃整 个原子弹计划，而改为研究制造一个能提供能源的原子核反应堆。主要原因是因为1942年 6月，海森堡向军备部长斯佩尔（Albert Speer）报告说，铀计划因为技术原因在短时间 内难以产出任何实际的结果，在战争期间造出原子弹是不大可能的。但他同时也使斯佩尔 相信，德国的研究仍处在领先的地位。斯佩尔将这一情况报告希特勒，当时由于整个战场 情况的紧迫，德国的研究计划被迫采取一种急功近利的方略，也就是不能在短时间，确切 地说是六周内见效的计划都被暂时放在一边。希特勒和斯佩尔达成一致意见：对原子弹不 必花太大力气，不过既然在这方面仍然“领先”，也不妨继续拨款研究下去。当时海森堡 申请附加的预算只有寥寥35万帝国马克，有它无它都影响不大。 这个计划在被高层放任了近2年后，终于到1944年又为希姆莱所注意到。他下令大力拨款 ，推动原子弹计划的前进，并建了几个新的铀工厂。计划确实有所进展，不过到了那时， 全德国的工业早已被盟军的轰炸破坏得体无完肤，难以进一步支撑下去。而且为时也未免 太晚，不久德国就投降了。 1942年的报告是怎么一回事？海森堡在其中扮演了一个什么样的角色？这答案扑朔迷离， 历史学家们各执一词，要不是新证据的逐一披露，恐怕人们至今仍然在云里雾中。这就是 科学史上有名的“海森堡之谜”。
第八章 论战二
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索尔维会议是由一位比利时的实业家Ernest Solvay创立的，并以他的名字命名。第 一届索尔维会议于1911年在布鲁塞尔召开，后来虽然一度被第一次世界大战所打断，但从 1921年开始又重新恢复，定期3年举行一届。到了1927年，这已经是第五届索尔维会议了 ，也许，这也将是最著名的一次索尔维会议。 这次会议弥补了科莫的遗憾，爱因斯坦，薛定谔等人都如约而至。目前流传得最广
的那张“物理学全明星梦之队”的照片，就是这次会议的合影。当然世事无完美，硬要挑 点缺陷，那就是索末菲和约尔当不在其中，不过我们要求不能太高了，人生不如意者还是 十有八九的。 这次会议从10月24日到29日，为期6天。主题是“电子和光子”（我们还记得，“光子 …photon”是个新名词，它刚刚在1926年由美国人刘易斯所提出），会议议程如下：首先劳 伦斯？布拉格作关于X射线的实验报告，然后康普顿报告康普顿实验以及其和经典电磁理论 的不一致。接下来，德布罗意作量子新力学的演讲，主要是关于粒子的德布罗意波。随后 波恩和海森堡介绍量子力学的矩阵理论，而薛定谔介绍波动力学。最后，玻尔在科莫演讲 的基础上再次做那个关于量子公设和原子新理论的报告，进一步总结互补原理，给量子论 打下整个哲学基础。这个议程本身简直就是量子论的一部微缩史，从中可以明显地分成三 派：只关心实验结果的实验派：布拉格和康普顿；哥本哈根派：玻尔、波恩和海森堡；还 有哥本哈根派的死敌：德布罗意，薛定谔，以及坐在台下的爱因斯坦。 会议的气氛从一开始便是火热的，像拳王争霸赛一样，重头戏到来之前先有一系列的 垫赛：大家先就康普顿的实验做了探讨，然后各人分成了泾渭分明的阵营，互相炮轰。德 布罗意一马当先做了发言，他试图把粒子融合到波的图像里去，提出了一种“导波” （pivot wave）的理论，认为粒子是波动方程的一个奇点，它必须受波的控制和引导。泡利 站起来狠狠地批评这个理论，他首先不能容忍历史车轮倒转，回到一种传统图像中，然后 他引了一系列实验结果来反驳德布罗意。众所周知，泡利是世界第一狙击手，谁要是被他 盯上了多半是没有好下场的，德布罗意最后不得不公开声明放弃他的观点。幸好薛定谔大 举来援，不过他还是坚持一个非常传统的解释，这连盟军德布罗意也觉得不大满意，泡利 早就嘲笑薛定谔为“幼稚”。波恩和海森堡躲在哥本哈根掩体后面对其开火，他们在报告 最后说：“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设是不能 进一步修改的。”他们也集中火力猛烈攻击了薛定谔的“电子云”，后者认为电子的确在 空间中实际地如波般扩散开去。海森堡评论说：“我从薛定谔的计算中看不到任何东西可 以证明事实如同他所希望的那样。”薛定谔承认他的计算确实还不太令人满意，不过他依 然坚持，谈论电子的轨道是“胡扯”（应该是波本征态的叠加），波恩回敬道：“不，一点 都不是胡扯。”在一片硝烟中，会议的组织者，老资格的洛伦兹也发表了一些保守的观点 ，and so on and so on…… 爱因斯坦一开始按兵不动，保持着可怕的沉默，不过当波恩提到他的名字后，他终于 忍不住出击了。他提出了一个模型：一个电子通过一个小孔得到衍射图像。爱因斯坦指出 ，目前存在着两种观点，第一是说这里没有“一个电子”，只有“一团电子云”，它是一 个空间中的实在，为德布罗意…薛定谔波所描述。第二是说的确有一个电子，而ψ是它的 “几率分布”，电子本身不扩散到空中，而是它的几率波。爱因斯坦承认，观点II是比观 点I更加完备的，因为它整个包含了观点I。尽管如此，爱因斯坦仍然说，他不得不反对观 点II。因为这种随机性表明，同一个过程会产生许多不同的结果，而且这样一来，感应屏 上的许多区域就要同时对电子的观测作出反应，这似乎暗示了一种超距作用，从而违背相 对论。 风云变幻，龙虎交济，现在两大阵营的幕后主将终于都走到台前，开始进行一场决定 命运的单挑。可惜的是，玻尔等人的原始讨论记录没有官方资料保存下来，对当时情景的 重建主要依靠几位当事人的回忆。这其中有玻尔本人1949年为庆祝爱因斯坦70岁生日而应 邀撰写的《就原子物理学中的认识论问题与爱因斯坦进行的商榷》长文，有海森堡、德布 罗意和埃仑菲斯特的回忆和信件等等。当时那一场激战，讨论的问题中有我们已经描述过 的那个电子在双缝前的困境：如何选择它的路径以及快速地关闭/打开一条狭缝对电子产 生的影响。还有许许多多别的思维实验。埃仑费斯特在写给他那些留守在莱登的弟子们（ 乌仑贝特和古德施密特等）的信中描述说：爱因斯坦像一个弹簧玩偶，每天早上都带着新 的主意从盒子里弹出来，而玻尔则从云雾缭绕的哲学中找到工具，把对方所有的论据都一 一碾碎。 海森堡1967年的回忆则说： “讨论很快就变成了一场爱因斯坦和玻尔之间的决斗：当时的原子理论在多大程度上 可以看成是讨论了几十年的那些困难的最终答案呢？我们一般在旅馆用早餐时就见面了， 于是爱因斯坦就描绘一个思维实验，他认为从中可以清楚地看出哥本哈根解释的内部矛盾 。然后爱因斯坦，玻尔和我便一起走去会场，我就可以现场聆听这两个哲学态度迥异的人 的讨论，我自己也常常在数学表达结构方面插几句话。在会议中间，尤其是会间休息的时 候，我们这些年轻人大多数是我和泡利就试着分析爱因斯坦的实验，而在吃午饭的时 候讨论又在玻尔和别的来自哥本哈根的人之间进行。一般来说玻尔在傍晚的时候就对这些 理想实验完全心中有数了，他会在晚餐时把它们分析给爱因斯坦听。爱因斯坦对这些分析 提不出反驳，但在心里他是不服气的。” 爱因斯坦当然是不服气的，他如此虔诚地信仰因果律，以致决不能相信哥本哈根那种 愤世嫉俗的概率解释。玻尔回忆说，爱因斯坦有一次嘲弄般地问他，难道他真的相信上帝 的力量要依靠掷骰子（ob der liebe Gott würfelt）？ 上帝不掷骰子！这已经不是爱因斯坦第一次说这话了。早在1926年写给波恩的信里， 他就说：“量子力学令人印象深刻，但是一种内在的声音告诉我它并不是真实的。这个理 论产生了许多好的结果，可它并没有使我们更接近‘老头子’的奥秘。我毫无保留地相信 ，‘老头子’是不掷骰子的。” “老头子”是爱因斯坦对上帝的昵称。 然而，1927年这场华山论剑，爱因斯坦终究输了一招。并非剑术不精，实乃内力不足 。面对浩浩荡荡的历史潮流，他顽强地逆流而上，结果被冲刷得站立不稳，苦苦支撑。 1927年，量子革命的大爆发已经进入第三年，到了一个收官的阶段。当年种下的种子如今 开花结果，革命的思潮已经席卷整个物理界，毫无保留地指明了未来的方向。越来越多的 人终究领悟到了哥本哈根解释的核心奥义，并诚心皈依，都投在量子门下。爱因斯坦非但 没能说服玻尔，反而常常被反驳得说不出话来，而且他这个“反动”态度引得了许多人扼 腕叹息。遥想当年，1905，爱因斯坦横空出世，一年之内六次出手，每一役都打得天摇地 动，惊世骇俗，独自创下了一番轰轰烈烈的事业。当时少年意气，睥睨群雄，扬鞭策马， 笑傲江湖，这一幅传奇画面在多少人心目中留下了永恒的神往！可是，当年那个最反叛， 最革命，最不拘礼法，最蔑视权威的爱因斯坦，如今竟然站在新生量子论的对立面！ 波恩哀叹说：“我们失去了我们的领袖。” 埃伦费斯特气得对爱因斯坦说：“爱因斯坦，我为你感到脸红！你把自己放到了和那 些徒劳地想推翻相对论的人一样的位置上了。” 爱因斯坦这一仗输得狼狈，玻尔看上去沉默驽钝，可是重剑无锋，大巧不工，在他一 生中几乎没有输过哪一场认真的辩论。哥本哈根派和它对量子论的解释大获全胜，海森堡 在写给家里的信中说：“我对结果感到非常满意，玻尔和我的观点被广泛接受了，至少没 人提得出严格的反驳，即使爱因斯坦和薛定谔也不行。”多年后他又总结道：“刚开始（ 持有这种观点的）主要是玻尔，泡利和我，大概也只有我们三个，不过它很快就扩散开去 了。” 但是爱因斯坦不是那种容易被打败的人，他逆风而立，一头乱发掩不住眼中的坚决。 他身后还站着两位，一个是德布罗意，一个是薛定谔。三人吴带凌风，衣袂飘飘，在量子 时代到来的曙光
