插曲:盒子里的弹簧人 尽管在会议上爱因斯坦很少发言,但是在旅馆的餐厅里他却异常活跃。“每天早上 他都象一个盒子里的弹簧人那样,精神抖擞地跳出来”4,表示他对量子理论的困惑,“每 次他都想好了一个美妙的实验以显示它不成立”2 爱因斯坦所反对的是海森伯的不确定关系,他精心设计的这些理想实验就是要超越 不确定关系的限制,并以此来揭示量子力学理论内部的逻辑矛盾。然而,爱因斯坦的努 力并没有成功,他的好友艾伦菲斯特形象地将这些实验称为推翻不确定关系的第二类永 动机。 图4-3爱因斯坦与玻尔 后来,在1930年的第六届索尔维会议上,爱因斯坦又做了一次尝试。他提出了 个巧妙的光子盒实验,并确信自己已经找到了不确定关系的一个反例。“这对玻尔是 次不小的震动……他没能立即找到答案,整个晚上他都极度忧虑,一个又一个地想说服 别人那不可能是真的,因为假如爱因斯坦是对的,那将意味着物理学的终结。”卢瑟福 后来回忆说,“我将永远不会忘记他们两个离开会场的情形:爱因斯坦,一个高大的形 象,平静地走着,还带着一点讥讽的微笑,而玻尔则沮丧地跟在他的旁边……第二天上
30--6 插曲：盒子里的弹簧人 尽管在会议上爱因斯坦很少发言，但是在旅馆的餐厅里他却异常活跃。“每天早上 他都象一个盒子里的弹簧人那样，精神抖擞地跳出来”1，表示他对量子理论的困惑，“每 次他都想好了一个美妙的实验以显示它不成立”2。 爱因斯坦所反对的是海森伯的不确定关系，他精心设计的这些理想实验就是要超越 不确定关系的限制，并以此来揭示量子力学理论内部的逻辑矛盾。然而，爱因斯坦的努 力并没有成功，他的好友艾伦菲斯特形象地将这些实验称为推翻不确定关系的第二类永 动机。 图 4-3 爱因斯坦与玻尔 后来，在 1930 年的第六届索尔维会议上，爱因斯坦又做了一次尝试。他提出了一 个巧妙的光子盒实验，并确信自己已经找到了不确定关系的一个反例。“这对玻尔是一 次不小的震动……他没能立即找到答案，整个晚上他都极度忧虑，一个又一个地想说服 别人那不可能是真的，因为假如爱因斯坦是对的，那将意味着物理学的终结。”卢瑟福 后来回忆说，“我将永远不会忘记他们两个离开会场的情形：爱因斯坦，一个高大的形 象，平静地走着，还带着一点讥讽的微笑，而玻尔则沮丧地跟在他的旁边……第二天上
午就迎来了玻尔的胜利。”有趣的是,玻尔取胜所利用的正是爱因斯坦创立的广义相对 论,他指出爱因斯坦在光子盒实验中忽略了他的引力红移公式。爱因斯坦的最后一次尝 试还是以失败告终,并且是由于他一生中最幸福的思想一—广义相对论,这次他不得不 承认量子力学具有逻辑一致性 爱因斯坦勇敢地面对了自己的失败,他对正统观点的批判从此也转向了正确的方 向。他意识到,在量子力学形式体系内不确定关系是有效的,量子力学在此意义上也是 一致的,然而,量子力学仍然是不完备的,它本身并不能证明几率特性是微观粒子运动 的固有属性 琴萧合奏1935—EPR与量子猫 1935年,爱因斯坦和薛定谔弹奏了一曲反击正统观点的琴萧合奏—EPR与量子猫, 这支量子名曲流传至今仍经久不衰。爱因斯坦的EPR论证着实让量子教皇玻尔接连几 个晚上都“睡在问题上”,而薛定谔的量子猫则完全将正统观点置于了岌岌可危的境地 爱因斯坦动用相对论 1935年5月4日,《纽约时报》以醒目的标题报道:爱因斯坦攻击量子理论。原 来,在5月份出版的《物理学评论》上,爱因斯坦与他的合作者波多尔斯基和罗森共同 发表文章质问:量子力学对物理世界的描述是完备的吗?而他们的回答非常坚决,“不 是 早在1927年的第五届索尔威会议上,爱因斯坦就注意到了量子力学与相对论的不 相容性,并强调量子力学不能描述单个体系的状态,而只能描述一个由许多全同体系所 组成的系综的行为,因而是不完备的理论。现在,他再一次利用相对论来反击量子力学, 并且将自己的论证建立在更加严格的基础之上。爱因斯坦这一回胸有成竹,并且在以后 的岁月中他一直坚持“量子力学是不完备的”。 0-7
30--7 午就迎来了玻尔的胜利。”有趣的是，玻尔取胜所利用的正是爱因斯坦创立的广义相对 论，他指出爱因斯坦在光子盒实验中忽略了他的引力红移公式。爱因斯坦的最后一次尝 试还是以失败告终，并且是由于他一生中最幸福的思想——广义相对论，这次他不得不 承认量子力学具有逻辑一致性。 爱因斯坦勇敢地面对了自己的失败，他对正统观点的批判从此也转向了正确的方 向。他意识到，在量子力学形式体系内不确定关系是有效的，量子力学在此意义上也是 一致的，然而，量子力学仍然是不完备的，它本身并不能证明几率特性是微观粒子运动 的固有属性。 琴萧合奏 1935 —— EPR 与量子猫 1935 年，爱因斯坦和薛定谔弹奏了一曲反击正统观点的琴萧合奏——EPR与量子猫， 这支量子名曲流传至今仍经久不衰。爱因斯坦的 EPR 论证着实让量子教皇玻尔接连几 个晚上都“睡在问题上”，而薛定谔的量子猫则完全将正统观点置于了岌岌可危的境地。 爱因斯坦动用相对论 1935 年 5 月 4 日，《纽约时报》以醒目的标题报道：爱因斯坦攻击量子理论。原 来，在 5 月份出版的《物理学评论》上，爱因斯坦与他的合作者波多尔斯基和罗森共同 发表文章质问：量子力学对物理世界的描述是完备的吗? 而他们的回答非常坚决，“不 是！” 早在 1927 年的第五届索尔威会议上，爱因斯坦就注意到了量子力学与相对论的不 相容性，并强调量子力学不能描述单个体系的状态，而只能描述一个由许多全同体系所 组成的系综的行为，因而是不完备的理论。现在，他再一次利用相对论来反击量子力学， 并且将自己的论证建立在更加严格的基础之上。爱因斯坦这一回胸有成竹，并且在以后 的岁月中他一直坚持“量子力学是不完备的
在这篇文章中,爱因斯坦设想了一个涉及两个粒子的思想实验,在实验中两个粒子 经过短暂的相互作用后分离开,这一相互作用产生了两个粒子之间的位置关联和动量关 联。然后爱因斯坦论证道,由于通过对粒子1的位置测量可以知道粒子2的位置,而 根据相对论的定域性假设,这一测量不会立即影响粒子2的状态,从而粒子2的位置 在测量之前是确定的,同理,粒子2的动量在测量之前也是确定的。于是,粒子2的 位置和动量在测量之前都具有确定的值,而一个完备的理论应当同时给出粒子2在测量 之前的位置值和动量值,但量子力学只能给出关于这些值的统计信息。因此,量子力学 是不完备的2 EPR文章发表之后4,在物理学界立刻引起了很大的反响。6月7日,薛定谔给爱 因斯坦写信说,“我非常高兴,你在《物理学评论》上刚刚发表的文章已经明显地抓住 了独断的量子力学的小辫子。”薛定谔承认EPR论证的两个基础,即实在性判据和定域 性假设,并且表示,“我的意见是,我们没有一个和相对论相容的量子力学,根据相对 论所有影响都以有限的速度传播。”爱因斯坦回信说,“你是唯一一个我愿与之妥协的人, 几乎所有其他人都不从事实去看理论,而是从理论去看事实。他们不能从曾经接受的观 念之网中解脱出来,而只是在其中以一种奇异的方式跳来跳去。” 同时,EPR文章也立刻引起了玻尔的关注和不安,玻尔的得意门生罗森菲尔德后来 回忆道,“这对我们来说简直是个晴天霹雳!对玻尔的影响太大了……当玻尔听到我报 告爱因斯坦的论证后,马上放下所有的工作说,我们要立刻澄清这个误解!” 10月,玻尔在《物理学评论》上发表了一篇与EPR同名的文章,以反驳爱因斯坦 等人的观点。玻尔即不同意爱因斯坦关于物理实在的朴实看法,也不赞同爱因斯坦的定 域性假设,而这就使他可以轻易地反驳爱因斯坦的结论。玻尔坚持认为,一个物理量只 有在被测量之后才是实在的,同时他还论证道,在EPR思想实验中,当两个粒子分离 开之后,对一个粒子的测量仍将对另一个粒子的状态产生影响。最后,玻尔下结论说, “量子力学是一个和谐的数学形式体系,它的预测与微观领域的实验结果符合得很好。 既然一个物理理论的预测都能够被实验所证实,而且实验又不能得出比理论更多的东 西,那么,我们还有什么理由对这个理论提出更高的完备性要求呢?……因此,从它自 身逻辑的相容性以及与经验符合的程度来看,量子力学是完备的。” 30-8
30--8 在这篇文章中，爱因斯坦设想了一个涉及两个粒子的思想实验，在实验中两个粒子 经过短暂的相互作用后分离开，这一相互作用产生了两个粒子之间的位置关联和动量关 联。然后爱因斯坦论证道，由于通过对粒子 1 的位置测量可以知道粒子 2 的位置，而 根据相对论的定域性假设，这一测量不会立即影响粒子 2 的状态，从而粒子 2 的位置 在测量之前是确定的，同理，粒子 2 的动量在测量之前也是确定的。于是，粒子 2 的 位置和动量在测量之前都具有确定的值，而一个完备的理论应当同时给出粒子 2 在测量 之前的位置值和动量值，但量子力学只能给出关于这些值的统计信息。因此，量子力学 是不完备的 3。 EPR 文章发表之后 4，在物理学界立刻引起了很大的反响。6 月 7 日，薛定谔给爱 因斯坦写信说，“我非常高兴，你在《物理学评论》上刚刚发表的文章已经明显地抓住 了独断的量子力学的小辫子。”薛定谔承认 EPR 论证的两个基础，即实在性判据和定域 性假设，并且表示，“我的意见是，我们没有一个和相对论相容的量子力学，根据相对 论所有影响都以有限的速度传播。”爱因斯坦回信说，“你是唯一一个我愿与之妥协的人， 几乎所有其他人都不从事实去看理论，而是从理论去看事实。他们不能从曾经接受的观 念之网中解脱出来，而只是在其中以一种奇异的方式跳来跳去。” 同时，EPR 文章也立刻引起了玻尔的关注和不安，玻尔的得意门生罗森菲尔德后来 回忆道，“这对我们来说简直是个晴天霹雳！对玻尔的影响太大了……当玻尔听到我报 告爱因斯坦的论证后，马上放下所有的工作说，我们要立刻澄清这个误解！” 10 月，玻尔在《物理学评论》上发表了一篇与 EPR 同名的文章，以反驳爱因斯坦 等人的观点。玻尔即不同意爱因斯坦关于物理实在的朴实看法，也不赞同爱因斯坦的定 域性假设，而这就使他可以轻易地反驳爱因斯坦的结论。玻尔坚持认为，一个物理量只 有在被测量之后才是实在的，同时他还论证道，在 EPR 思想实验中，当两个粒子分离 开之后，对一个粒子的测量仍将对另一个粒子的状态产生影响。最后，玻尔下结论说， “量子力学是一个和谐的数学形式体系，它的预测与微观领域的实验结果符合得很好。 既然一个物理理论的预测都能够被实验所证实，而且实验又不能得出比理论更多的东 西，那么，我们还有什么理由对这个理论提出更高的完备性要求呢？……因此，从它自 身逻辑的相容性以及与经验符合的程度来看，量子力学是完备的
然而,玻尔的罗曼蒂克语言掩盖了物理的清晰性,他的反驳也因此显得晦涩苍白 而这根本无法让爱因斯坦信服。玻尔所宣扬的“一个物理量只有当它被测量之后才是实 在的”观点,爱因斯坦无论如何也不能同意,他在内心深处回敬道,“难道月亮只有在 我看它时才存在吗?” [后记] 1949年,为庆祝爱因斯坦70寿辰,玻尔在题为《爱因斯坦:哲学家一一科学家》 (由希尔普编辑)的论文集中发表了《就原子物理学的认识论问题和爱因斯坦进行的商 榷》一文,全面系统地阐述了自己的观点,并回顾和总结了他与爱因斯坦之间关于量子 力学的争论。同年,爱因斯坦在《对批评的回答》一文中,对玻尔的文章做了答复,并 再次批驳了玻尔一派的正统观 插曲:炸药实验 尽管薛定谔和爱因斯坦都反对量子力学的正统解释,他们的观点却并不完全一致 爱因斯坦认为量子力学的不完备性在于,量子力学中的波函数只能描述一个由许多全同 体系所组成的系综的行为,而不能描述单个体系的状态;而薛定谔则认为波函数是对实 在的描述,他愿意改变波函数与普通力学观念的联系,或者完全将这些观念抛弃。 爱因斯坦与薛定谔经常就量子力学问题交换意见,为了反驳薛定谔的观点,爱因斯 坦有一次让他考虑一个炸药实验。爱因斯坦设想,有一定质量的炸药,在一年的时间内 可能随杋地发生爆炸,那么在没有发生爆炸之前,用于描述炸药的波函数将表示已爆炸 和没爆炸的炸药的一种不确定的叠加,而炸药显然只能处于一种确定的状态,要么已爆 炸,要么没爆炸。于是,爱因斯坦认为,任何解释都无法将波函数当作是对实在的充分 描述,从而薛定谔关于波函数描述实在的观点是不对的。 不久之后,爱因斯坦的炸药就被薛定谔换成猫而对正统观点再次发起进攻
30--9 然而，玻尔的罗曼蒂克语言掩盖了物理的清晰性，他的反驳也因此显得晦涩苍白， 而这根本无法让爱因斯坦信服。玻尔所宣扬的“一个物理量只有当它被测量之后才是实 在的”观点，爱因斯坦无论如何也不能同意，他在内心深处回敬道，“难道月亮只有在 我看它时才存在吗？” [后记] 1949 年，为庆祝爱因斯坦 70 寿辰，玻尔在题为《爱因斯坦：哲学家——科学家》 （由希尔普编辑）的论文集中发表了《就原子物理学的认识论问题和爱因斯坦进行的商 榷》一文，全面系统地阐述了自己的观点，并回顾和总结了他与爱因斯坦之间关于量子 力学的争论。同年，爱因斯坦在《对批评的回答》一文中，对玻尔的文章做了答复，并 再次批驳了玻尔一派的正统观点。 插曲：炸药实验 尽管薛定谔和爱因斯坦都反对量子力学的正统解释，他们的观点却并不完全一致。 爱因斯坦认为量子力学的不完备性在于，量子力学中的波函数只能描述一个由许多全同 体系所组成的系综的行为，而不能描述单个体系的状态；而薛定谔则认为波函数是对实 在的描述，他愿意改变波函数与普通力学观念的联系，或者完全将这些观念抛弃。 爱因斯坦与薛定谔经常就量子力学问题交换意见，为了反驳薛定谔的观点，爱因斯 坦有一次让他考虑一个炸药实验。爱因斯坦设想，有一定质量的炸药，在一年的时间内 可能随机地发生爆炸，那么在没有发生爆炸之前，用于描述炸药的波函数将表示已爆炸 和没爆炸的炸药的一种不确定的叠加，而炸药显然只能处于一种确定的状态，要么已爆 炸，要么没爆炸。于是，爱因斯坦认为，任何解释都无法将波函数当作是对实在的充分 描述，从而薛定谔关于波函数描述实在的观点是不对的。 不久之后，爱因斯坦的炸药就被薛定谔换成猫而对正统观点再次发起进攻
薛定谔放出量子猫 受EPR文章的启发,薛定谔随后在德国《自然科学》上发表了题为“量子力学的 目前形势”的文章,从另一个角度表达了对量子力学正统观点的不满。 薛定谔首先详细解释了物理学如何在实验数据的基础上来枃建模型,这一模型是对 实际物体的理想化或简化的描述,以便对其进行数学分析;然后他问道,尽管不确定关 系导致了人们对自然的描述只能是一种模糊描述,但是自然本身是否真的是模糊的呢? 为此薛定谔设想了一个量子猫理想实验,这一实验后来被称为薛定谔猫实验。 QUANTUM CAT at im closed box Only if you open the box will you P 图4-4薛定谔猫 薛定谔猫实验可以叙述如下,一只猫被关在一金属盒内,盒中放置下述非常残忍的 装置(必须保证此装置不受猫的直接干扰):一小块辐射物质放在盖革粒子计数器中 它非常小,在一个小时内可能有一个原子发生衰变,或者没有原子发生衰变,它们发生 的几率相同。如果发生衰变,计数器便放电并通过继电器释放一个重锤,进而击碎一个 盛有氢氰酸的小瓶。如果人们将整个系统放置一个小时,那么人们会说,如果在此期间 没有原子衰变,这只猫就是活的,而第一次原子衰变后它必定被毒死 这一实验最令人困惑的地方在于,根据量子力学,盒内整个系统将处于两种状态的 叠加态中,在一种状态中猫是活的,在另一种状态中猫是死的,或者说,盒中的猫将处 于奇怪的活与死的叠加态中。然而,根据我们的宏观经验,盒中的猫要么活着,要么死 了,两者必居其一。那么,盒中猫的状态到底是怎样的呢?它又是何时从又死又活的状 30--10
30--10 薛定谔放出量子猫 受 EPR 文章的启发，薛定谔随后在德国《自然科学》上发表了题为“量子力学的 目前形势”的文章，从另一个角度表达了对量子力学正统观点的不满。 薛定谔首先详细解释了物理学如何在实验数据的基础上来构建模型，这一模型是对 实际物体的理想化或简化的描述，以便对其进行数学分析；然后他问道，尽管不确定关 系导致了人们对自然的描述只能是一种模糊描述，但是自然本身是否真的是模糊的呢？ 为此薛定谔设想了一个量子猫理想实验，这一实验后来被称为薛定谔猫实验。 图 4-4 薛定谔猫 薛定谔猫实验可以叙述如下，一只猫被关在一金属盒内，盒中放置下述非常残忍的 装置（必须保证此装置不受猫的直接干扰）：一小块辐射物质放在盖革粒子计数器中， 它非常小，在一个小时内可能有一个原子发生衰变，或者没有原子发生衰变，它们发生 的几率相同。如果发生衰变，计数器便放电并通过继电器释放一个重锤，进而击碎一个 盛有氢氰酸的小瓶。如果人们将整个系统放置一个小时，那么人们会说，如果在此期间 没有原子衰变，这只猫就是活的，而第一次原子衰变后它必定被毒死。 这一实验最令人困惑的地方在于，根据量子力学，盒内整个系统将处于两种状态的 叠加态中，在一种状态中猫是活的，在另一种状态中猫是死的，或者说，盒中的猫将处 于奇怪的活与死的叠加态中。然而，根据我们的宏观经验，盒中的猫要么活着，要么死 了，两者必居其一。那么，盒中猫的状态到底是怎样的呢？它又是何时从又死又活的状