物理学梦之队合影背后的故事

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物理学梦之队合影背后的故事

原创 蔡驰南 蔡爸谈数学 2024 年 07 月 17 日 13:38 浙江

这张照片是史上最牛物理盛会——第五届索尔维会议的合影（摄于 1927 年的比利时布鲁塞尔），他们中不少人的名字，今天仍然在物理学教材中熠熠生辉，比如：爱因斯坦、薛定谔、普朗克、玻尔、海森堡和德布罗意等等。文章最后会附上带名字的横板大图。


第五届索尔维会议的合影，照片中共 29 人，有 17 位是诺贝尔物理学奖得主

这张梦之队合影的背后，却是一场新旧思想的交锋，从此改变了人类对世界的认知。

这一切都源自量子力学的到来，经过二十余年的探索，物理学家们已经找到了用来描述它的数学公式，那就是薛定谔方程。



困扰物理学家们的是：如何解释它。

从牛顿经典力学大厦的构建，到麦克斯韦方程组电与磁的统一，再到爱因斯坦相对论的完善，一切都遵循严格的因果律和数学等式。只要给定初始条件，就能得到确定结果，这是天经地义的事。

但量子力学的出现，打破了这条铁律：确定性不存在了。到了量子世界，粒子在空间中的确切位置将无法被预测，只能知道它出现在不同位置的概率，甚至粒子的出现还取决于你的观测。

当时物理学家已经发现：

电子并非像行星围绕恒星一样绕原子核运动，而是呈现无规律的电子云状态。

当光通过两条紧挨着的狭缝时，背景板上会出现波纹般的干涉图样。但是当人们一个个观察光子到底穿过哪一条缝时，背景板上的干涉图样消失了。但是如果一个个释放光子，而不观察光子到底怎样穿过窄缝时，干涉图样又出现了。

光子是怎样穿过窄缝的并不确定，而更麻烦的是，观测居然会直接影响到结果，这让物理学家们始料未及。

争论就此展开。


站在爱因斯坦这边的有，左：德布罗意，右：薛定谔

爱因斯坦不能接受不确定性是世界的本质，他认为这是理论的缺陷，站在他这边的还有德布罗意和薛定谔。

那该如何解释微观粒子时而表现得像微粒，时而又表现得像波呢？首先德布罗意认为，粒子周围存在一种“导波”，就像现在的自动驾驶汽车一样，能通过雷达预先探知周围情况，然后给粒子导航，这就形成了波函数所表现出来的轨迹。



这才导致了哪怕一个个光子穿过狭缝，仍然能够出现干涉条纹。（因为“导航”会有一个整体线路的安排，所以积累之后可以出现干涉条纹）

但这种观点将粒子仅仅看成了宏观物体的缩小，又重新回到了电子绕原子核，如同地球绕太阳旋转一样的老路上，遭到其他物理学家的反对。

薛定谔认为粒子之所以没法准确观察到，是因为它们如同波一样弥漫于整个空间。



爱因斯坦发言了，如果粒子在空间中呈一种波的状态，在最后接收它的屏幕上，将会在多处同时接收到粒子的信息，而在一霎那，所有的信息又会收缩到唯一的一点，以微粒的形态呈现，那这种同时性意味着，信息的传递将超越光速，这违反了相对论。

以玻尔为代表的哥本哈根学派（包括海森堡、玻恩、泡利等人）则提出了一种全新的观点——互补原理，他认为微观粒子同时具有波动性和粒子性，具体表现出哪种特性，取决于我们如何观察它。


哥本哈根学派（自左往右）：海森堡、玻尔、泡利、玻恩

不确定性就是世界的本质，至少在微观世界，粒子没有确定的位置，它们仅仅服从波函数，表现为在各个位置出现的概率。在未观测时处于一种叠加态，而观测行为直接导致了波函数的坍缩，让微粒出现在了某个具体的位置上。

爱因斯坦反问道：按照这个说法，在坍缩前任何一个粒子所在的概率波将会扩散到整个宇宙，但为什么粒子本身只能在非常小的范围内被发现，而其他地方都不存在。一个巨大的波是如何坍缩成极小的单个粒子的。粒子在被观测前，它在做什么？

玻尔则强调要以一种不同于经典理论的方式来描述量子力学，这是人类认知的一次转变。这次会议的后几天沦为了爱因斯坦和玻尔两个人的论战。



每天早上，爱因斯坦都会提出新的例证。

而到了晚餐时分，玻尔总能在烟斗的迷雾中，找到反驳的理由。

爱因斯坦坚持上帝是不掷骰子的。

玻尔则让爱因斯坦不要教上帝该怎么做。

这是量子力学诞生以来第一次有了完整的解释：哥本哈根诠释。它扛住了来自爱因斯坦的全部质疑。



这次会议，爱因斯坦虽然暂时落败，但他显然不服，因为这颠覆了他的哲学观与物理直觉。

对量子力学的解释，不是违背了客观实在性，就是违背了光速上限，两者至少要放弃一个，那都是爱因斯坦不能接受的。

他开始暗自蓄力，准备反击，期待三年后的第六届索尔维会议——再次决战量子之巅。

补充资料：

波粒二象性：

以经典力学的观点来看待非相对论量子力学所描述的微观粒子的话，微观粒子会同时显示出经典上的波动性与粒子性。比如说，经典力学把波函数的位置观测结果必为明确位置视为“粒子性”；一方面又把概率幅具有的线性叠加性视为“波动性”。

互补原理（Complementarity principle）：

概念而言，微观物体具有波动性或粒子性，有时会表现出波动性，有时会表现出粒子性。波动性指的是波动所具有的波长与频率意味着它在空间方面与时间方面都具有延伸性。粒子性指的是粒子总是可以被观测到其在某时间与某空间的明确位置与动量的性质。

当描述微观物体的量子行为时，必须同时思考其波动性与粒子性。互补原理阐明，不能用单独一种概念来完备地描述整体量子现象，为了完备地描述整体量子现象，必须将分别描述波动性、粒子性的概念都囊括在内。这两种概念可以视为同一个硬币的两面。

按照玻尔的说法，微观物体的波动性与粒子性互补。

不确定性原理（uncertainty principle，又称测不准原理）：

粒子的位置与动量不可同时被确定，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。类似的不确定性关系式也存在于能量和时间、角动量和角度等物理量之间。由于不确定性原理是量子力学的基要理论，很多一般实验都时常会涉及到关于它的一些问题。

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