你打开了高中物理林崎工作室
第80次图文
在1927年10月举行的第五届索尔维物理学会议是量子力学发展史上的一次重要事件,当时量子力学先驱者群英荟萃,济济一堂。在这次会议上,玻尔提出了量子力学的哥本哈根解释,并得到大多数物理学家的认同。但是爱因斯坦在这次会议上,首次公开表示反对这个解释。他认为任何物理学的基本理论都不能是统计性的,必须满足因果性和决定论,量子力学只能描述许多全同体系的个系统的行为,它不能描写单个粒子的运动状态,因此量子力学理论是不完备的。他说:“量子力学肯定是了不起的理论,但内心告诉我这还不是真正的东西。”他坚持反对玻尔和海森堡的观点,并设计各种思想实验来寻找哥本哈根解释上的漏洞。但每当爱因斯坦认为自己找到漏洞时,玻尔就会发现他推理上的错误。虽然如此,爱因斯坦仍乐此不疲。
最精巧也最困难的一个实验是爱因斯坦1930年在第六届索尔维会议上提出来的,这就是“光子箱”实验。它的基本思想是:设想在盒子里放一只钟,可以控制盒子上的快门,让它很快地开启和关闭。盒子里装有光子发生器,当快门开启时,会辐射出一个光子。在快门开启前后分别称一称盒子的重量,就可以决定跑出光子的质量从而也决定了能量。于是实验者就可能以任意的精度来确定光子的能量和逃逸时间,而违反海森堡的能量—时间不确定关系(△E)·(△t)=h 。
玻尔大吃一惊,还在会议上发言说,如果爱因斯坦是正确的,那么这将是物理学的末日。他彻夜不眠地考虑这个问题,直到东方既白,他找到了爱因斯坦推理中的漏洞。当光子从盒子中逃逸时,它给了盒子一份不知道的动量,使盒子在引力场中运动,而称重就是在这个引力场中进行的。根据爱因斯坦的广义相对论,钟的走速依赖于它在引力物中的位置。钟的位置有一个小的不确定量,因为光子在逃逸时“冲”了它一下,于是它测量的时间也有一个小的不确定量。也就是说爱因斯坦忘记了在引力场中钟所受到的引力红移。我们设想,当玻尔苦熬一夜,发现了爱因斯坦的“破绽”,虽然自己双眼也发生“红移”,心中该是何等痛快,感觉是挽救了物理学。
作为与爱因斯坦同样的持决定论观点者,薛定谔也机智地设计了一个理想实验“薛定谔猫",力图证明哥本哈根解释是荒谬的。这个实验是这样设想的:把一只猫关在一个大盒子内,盒中装有不受猫直接干扰的如下量子设备,在计数器中有很小很小的一块辐射物质,在1小时内,或许只有一个原子核衰变,或许连一个原子核衰变也没有,两者的概率是相同的,各为50%。假如辐射物质的原子核发生衰变的话,计数器就会放电并且通过某个装置抛出一锤,击碎一个装有剧毒物质氢氰酸的小瓶,从而毒死盒内的猫。假如让这整个系统独立存在1小时的话,我们理所当然地会这样说,若没有原子核衰变,猫就是活的;只要有一个原子核衰变,猫就是死的。
按照日常观念看,那只猫非死即活,我们上面的回答无懈可击,可是若按照量子力学的计算规则来看,情况就不是这样简单了。此时,盒内整个系统处于两种量子状态的叠加之中。这两种状态,一种是活猫与原子核稳定状态,另一种是死猫和原子核衰变状态,活猫状态与死猫状态一混合,就出现了不死不活的猫这种不可思议的状态。一只既不是死的又不是活的猫是什么意思呢?如何解释这个问题,几十年来不同的学派有着不同的说法，至今仍是“公说公有理,婆说婆有理”。
1935年,爱因斯坦与波多尔斯基以及罗森合写了题为《能认为量子力 学对物理实在的描述是完备的吗?》的论文,提出了着名的EPR 悖论。EPR悖论也成了半个多世纪以来物理学长期争论的焦点之一,但也没有得到一个公认的结论。
爱因斯坦与玻尔的论战持续了几十年。玻尔认为这些反对和批评使他本人受益,也使哥本哈根学派完善和发展起来。爱因斯坦1955年逝世后,玻尔心里还没忘记与他的论战。直到1962年玻尔逝世前的一天,他在工作室里的黑板上所画的最后一张草图,还是爱因斯坦32年前提出的“光子箱”!
激烈而认真的论战,诚挚而厚重的友谊,这就是伟大的科学精神,这就是伟大的科学巨人!
