量子纠缠（三）——波尔和爱因斯坦之争
現在，讓我們再回到波爾和愛因斯坦有關量子理論的爭論 -以下簡稱為‘波愛之爭’。?
兩人都是偉大的物理學家，對量子理論的發展都做出了杰出的貢獻。分別因為解決光電 效應問題和量子化原子模型而獲得 1921 年、1922 年的諾貝爾物理學獎。愛因斯坦和波爾的 爭論主要是有關量子力學的理論基礎及哲學思想方面。實際上，也正因為這兩位大師的不斷 論戰，量子力學才在辯論中發展成熟起來。愛因斯坦終身反對量子論，他提出了一個又一個 的思想實驗，企圖證明量子論的不完備性和荒謬性，直到他們逝世之后，這場論戰仍在物理 學界繼續進行。但遺憾的是，直到目前為止，每次的實驗結果似乎并沒有站在愛因斯坦這位 偉人這邊。?
這場有關量子論的大論戰攪得它的創立者們夜不能寐、寢食難安，當年在世的物理學家 幾乎全都被牽扯其中。學術界的紛爭能促進學術的進步，但也能損害學者們的生理和心理健 康，甚至還有物理學家因此而自殺的。?
1909 年，著名的奧地利物理學家玻爾茲曼在意大利度假的旅店里上吊自殺。玻爾茲曼 性格孤僻內向，沉浸在他的“原子論”與奧斯特瓦爾德的“唯能論”不同見解的斗爭中。這 場論戰與量子論之爭拉不上多少關系，并且以玻爾茲曼的取勝而告終。但是，長長的辯論過 程使玻爾茲曼精神煩躁，不能自拔，痛苦與日俱增，最后只能用自殺來解脫心中的一切煩 惱。玻耳茲曼的死使學者們震驚，也在一定程度上影響了荷蘭物理學家埃倫費斯特（Paul Ehrenfest，1880—1933）。后者曾經師從玻耳茲曼，是愛因斯坦的好友，其“浸漸假說”與 波爾的對應原理，是在經典物理學和量子力學之間架起的兩座橋梁。埃倫費斯特于 1933 年 9 月 25 日飲彈自盡，他的死震動了物理界。?
波愛兩人的第一次交鋒是 1927 年的第五屆索爾維會議。那可能算是一場前無古人后無 來者的物理學界群英會。以下這張 1927 年的會議歷史照片中，列出來的鼎鼎大名使你不能 不吃驚。在這次與會的 29 人中，有 17 人獲得了諾貝爾物理學獎。
照片來自網絡?
索爾維是一位對科學感興趣的實業家，因發明了一種制堿法而致富。據說索爾維財大氣 粗后自信心倍增，發明了一種與物理實驗和理論都扯不上關系的，有關引力和物質的荒謬理 論。盡管物理學家們對他的理論不屑一顧，但對他所舉辦的學術會議卻是趨之若鶩。因此， 當年那幾屆索爾維會議就變成了量子論的大型研討會，也就是波愛之爭的重要戰場。?
波愛之爭有三個回合值得一提：分別起始於 1927 年，1930 年，1933 年的索爾維會議 上。?
愛因斯坦對量子論的質疑要點有三個方面，也就是愛因斯坦始終堅持的經典哲學思想 和因果觀念：一個完備的物理理論應該具有確定性，實在性，和局域性。?
愛因斯坦認為，量子論中的海森堡原理違背了確定性。根據海森堡的測不準原理，一對 共軛變量（比如：動量和位置，能量和時間）是不能同時準確測量的：當準確測定一個粒子 在此刻的速度時，就無法測準其在此刻的位置。或者是，當準確測定一個粒子的能量時，就 無法測準此刻的時間。因此他說：“上帝不擲骰子！”
?這兒所謂的“上帝擲骰子”，不同于人擲骰子。當今的科學技術領域中，統計和概率是 常用的數學工具。人們應用統計方法來預測氣候的變化，股市的走向，物種的繁衍，人心的 向背。幾乎在各門學科中，都離不開‘概率’這個詞。然而，我們在這些情況下應用概率的 規律，是由於我們掌握的信息不夠，或者是沒有必要知道那麼多。比如說，當人向上丟出一 枚硬幣，再用手接住時，硬幣的朝向似乎是隨機的，可能朝上，可能朝下。但這種隨機性是 因為硬幣運動不易控制，從而使我們不了解硬幣從手中飛出去時的詳細信息。如果我們對硬 幣飛出時的受力情況知道得一清二楚，就完全可以預知它掉下來時的方向，因為硬幣實際上 遵從的是完全確定的宏觀力學規律。而量子論不同於此，量子論中的隨機性是本質的。換句 15 話說：人擲骰子，是外表的或然；上帝擲骰子，是本質的或然。
?所謂實在性，則類似於我們熟知的唯物主義，認為物質世界的存在不依賴於觀察手段。 月亮實實在在的掛在天上，不管我們看它，還是不看它。局域性的意思則是說：在互相遠離 的兩個地點，不可能有瞬時的超距作用。?
1927 年 10 月，那是布魯塞爾鮮花盛開，紅葉飄零的季節，著名的第五屆索爾維會議在 此召開。如上面照片所示，這次會議群賢畢至，濟濟一堂。我們似乎從這張老照片眾多閃光 的名字中，看到了量子論兩大派別各路英雄一個個生動的形象：每個人都身懷特技，帶著自 己的獨門法寶，斗志昂揚、精神抖擻，應邀而來。
?玻爾高舉著他的“氫原子模型”，玻恩口口聲聲念叨著“概率”，德布羅意騎著他的 “波”，康普頓西裝上印著“效應”二字，狄拉克夾著一個“算符”，薛定諤挎著他的“方 程”，身后還藏了一只不死不活的“貓”，布拉格手提“晶體結構”模型，海森堡和他的同 窗好友泡利形影不離，兩人分別握著“測不準原理”和“不相容原理”，埃倫費斯特也緊握 他的“浸漸原理”大招牌。?
最后登場的愛因斯坦，當時四十多歲，還沒有修成像後來那種一頭白髮亂飄的仙風道 骨形象。不過，他舉著劃時代的兩面相對論大旗，頭頂光電效應的光環。因此，他洋洋灑灑 跨輩份地坐到了第一排老一輩無產階級革命家的中間。那兒有一位德高望重的白發老太太， 鐳和仆的發現者居里夫人。另外，我們還看到了好些別的大師們的豐功偉績：洛倫茲的“變 換”、普朗克的“常數”、郎之萬的“原子論”、威爾遜的“云霧室”，等等等等。?
儘管人人都身懷絕技，各自都有不同的獨門功夫，但大家心中都藏了一個量子妖精 -由 他們共同哺育餵大的孫悟空。這孫悟空到底是人還是猴？是鬼還是妖？是真還是假？諸位大 師們對此莫衷一是，眾說紛紜。?
兩派人馬旗鼓相當：波爾的哥本哈根學派人數多一些，但愛因斯坦這邊有薛定諤和德布 羅意，三個重量級人物，不可小覷。
?最後，就正式會議來說，這是量子論一次異常成功的大會，波爾掌門的哥本哈根派和它 對量子論的解釋大獲全勝。閉幕式上，愛因斯坦一直在旁邊按兵不動，沉默靜坐，直到玻爾 結束了關于‘互補原理’的演講后，他才突然發動攻勢：“很抱歉，我沒有深入研究過量子 力學，不過，我還是愿意談談一般性的看法。”然后，愛因斯坦用一個關于 射線粒子的例 子表示了對玻爾等學者發言的質疑，不過，他當時的發言相當溫和。但是，在正式會議結束 之后幾天的討論中，火藥味就要濃多了。根據海森堡的回憶，常常是在早餐的時候，愛因斯 坦設想出一個巧妙的思想實驗，以為可以難倒玻爾，但到了晚餐桌上，玻爾就想出了招數， 一次又一次化解了愛因斯坦的攻勢。當然，到最后，誰也沒有說服誰。?
1930 年秋，第六屆索爾維會議在布魯塞爾召開。早有準備的愛因斯坦在會上向玻爾提 出了他的著名的思想實驗—“光子盒”。
實驗的裝置是一個一側有一個小洞的盒子，洞口有一塊擋板，里面放了一只能控制擋板 開關的機械鐘。小盒里裝有一定數量的輻射物質。這只鐘能在某一時刻將小洞打開，放出一 個光子來。這樣，它跑出的時間就可精確地測量出來了。同時，小盒懸掛在彈簧秤上，小盒 16 所減少的質量，也即光子的質量便可測得，然后利用質能關系 E ＝ mc2 便可得到能量的損 失。這樣，時間和能量都同時測準了，由此可以說明測不準關系是不成立的，玻爾一派的觀 點是不對的。?
描述完了他的光子盒實驗後，愛因斯坦看著啞口無言、搔頭抓耳的玻爾，心中暗暗得 意。不想好夢不長，只經過了一個夜晚，第二天，波爾居然‘以其人之道，還治其人之身’， 找到了一段最精彩的說辭，用愛因斯坦自己的廣義相對論理論，戲劇性地指出了愛因斯坦這 一思想實驗的缺陷。?
光子跑出後，掛在彈簧秤上的小盒質量變輕即會上移，根據廣義相對論，如果時鐘沿重 力方向發生位移，它的快慢會發生變化，這樣的話，那個小盒上機械鐘讀出的時間就會因為 這個光子的跑出而有所改變。換言之，用這種裝置，如果要測定光子的能量，就不能夠精確 控制光子逸出的時刻。因此，波爾居然用廣義相對論理論中的紅移公式，推出了能量和時間 遵循的測不準關系！?
無論如何，儘管愛因斯坦當時被回擊得目瞪口呆，卻仍然沒有被說服。不過，他自此 後，不得不有所退讓，承認了玻爾對量子力學的解釋不存在邏輯上的缺陷。“量子論也許是 自洽的”他說，“但卻至少是不完備的”因為他認為，一個完備的物理理論應該具有確定性， 實在性，和局域性！
?玻爾雖然機敏地用廣義相對論的理論回擊了愛因斯坦“光子盒”模型的挑戰，自己心中 卻仍然不是十分踏實，自覺辯論中有些投機取巧的嫌疑！從經典的廣義相對論出發，是應該 不可能得到量子力學測不準原理的，這其中許多疑問仍然有待澄清。況且，誰知道這個愛因 斯坦下一次又會想出些什麼新花招呢？玻爾口中不停地念著：“愛因斯坦，愛因斯坦……愛 因斯坦，愛因斯坦……”心中無比感慨。玻爾對這第二個回合的論戰始終耿耿於懷，直到 1962 年去世。據說，他的工作室黑板上還一直留著當年愛因斯坦那個光子盒的圖。?
波愛之爭的第三個回合，就到了 1935 年，這場論戰達到了它的頂峰。這就是我們下一 篇要講到的 EPR 佯謬，它將引領我們進入此系列文章的主題：量子糾纏。?
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參考資料： “The Strange Story of the Quantum”by Banesh Hoffmann
作者：張天蓉
編輯：Gemini
來源：blog.sciencenet.cn/u/tianrong1945
第一章：量子糾纏（一）——薛定諤、女朋友、貓
第二章：量子糾纏（二）——男孩物理學
第三章：量子糾纏（三）——上帝擲骰子嗎
未完待續！
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的量子纠缠（三）——波尔和爱因斯坦之争的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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