哥本哈根学派对量子力学的解释以及爱因斯坦的观点

哥本哈根学派对量子力学的解释以及爱因斯坦的观点经济学（中美班）142裘翀1140662034哥本哈根学派是20世纪20年代初期形成的。1921年，在著名量子物理学家玻尔的倡议下，成立了哥本哈根大学理论物理学研究所，由此建立了哥本哈根学派。该学派在创始人尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔的带领下对量子物理学有着深入广泛的研究。玻尔与爱因斯坦关于量子力学诊释的争论围绕着量子力学理论体系的物理解释问题,以玻尔为首的哥本哈根学派与爱因斯坦等人展开了旷日持久的论争.这是物理学发展史上持续时间最长,斗争最激烈,最富哲学意义的论战之.爱因斯坦虽然赞成光具有波粒二象性的提法但却坚信波和粒子可以因果性地相互联系起来.而玻尔则固守光的波动理论,否认光量子基本方程的有效性并强调要同经典的力学概念作彻底的决裂.1924年康普顿实验证实了光量子的粒子特性之后玻尔与爱因斯坦的论战第一次进人高潮.为了固守自己的理论,玻尔在1924年写的一篇文章中完全摒弃了爱因斯坦的辐射能量子观念,取而代之的是一种全新的几率方法.他认为能量和动量守恒定律对单个原子构成基元过程并不成立只有在统计意义上才能谈及守恒.对此爱因斯坦在同年4月29日致玻恩夫妇的信中予以反驳“我觉得完全不能容忍这样的想法,即认为电子受到照射而辐射时,不仅它的跳跃时刻,而且它的运动方向都由自己的自由意志去选择.……”1926年4月,薛定谬在一篇题为《关于海森伯—玻恩—约尔丹的量子力学与我的波动力学之间的关系》的论文中,用数学变换的方法证明了波动力学和矩阵力学的等价性.同年12月,狄拉克又提出了新的变换理论,他从海森伯的矩阵力学出发,导出了薛定谬的波动方程.至此,众多物理学家对两者的数学处理结果的一致性已无人怀疑,但对波函数的物理解释却仍各持己见.薛定愕坚持认为德布罗意提出的物质波是一种在三维空间中真实存在的,可观察测量的波.薛定愕试图创立一种纯粹由波动理论所构成的物理学.为此,他对量子力学中一些不合常理的特殊概念,尤其是“该死的量子跃迁”十分反感.他在一次对玻尔的谈话中说“如果我们打算保留这些可恶的量子跃迁的话,那我总对自己曾同原子物理学打过交道而感到遗憾.”在此后较长一段时间内,薛定愕一直认为量子跃迁能够完全避免一个系统的稳定态实际上完全可以看作是一种驻波它们的能量取决于波的频率.一个粒子钓运动可以用波动方程中的一个波包来描述.但是,按照他自己的波动理论推算,波包将随着时间的推移而散开这显然与粒子能长期稳定这个事实不相符合.为此玻恩于1926年6月提出了波函数的统计解释.他认为*是粒子在位形空间中出现的几率.按此观点,事件的全过程决定于概率定律对应于空间的一个状态就有一个由跟此状态相关的物质波所确定的几率.因此薛定愕方程中的波函数只能给出某力学过程一个确定的几率,而不能给出力学变量的确定值.爱因靳坦对玻恩关于波函数的几率解释深为不满他在年1926年12月写给玻恩的信中说“量子力学固然是堂皇的可是有一种内在的声音告诉我它还不是那真实的东西这理论说得很多但是它一点也没有真正使我们更接近这个‘恶魔’的秘密我无论如何深信上帝不是在掷般子.很明显爱因斯坦坚信能够提供关于客观世界的确切知识,因而认为玻恩的几率解释是“含糊不清”的.玻思等人认为情况并非如此,任何既定时刻我们对于客观世界的描述虽然只是一种粗糙的近似但正是由于这种近似,应用某些象量子力学几率定律这样的规律,我们可以预知未来时刻的情况.至此,双方争论的焦点已经由波函数的统计解释的有效性发展到哲学上的认识论问题‘年海森伯在《关于量子论的运动学和力学的直觉内容》一文中提出在确定微观粒子的每一个动力学变量所能达到的准确度方面,存在着一个基本的限度.同时,他用严密的数学方法推算出粒子的位置与动量的不确定量之间存在的关系,就是后来非常著名的测不准关系式.它表明微观粒子的某些对应的物理量不可能同时具有完全确定的数值.例如粒子的位置和动量角位移和角动量能量和时间等等,其中一个量越精确,另一个量就越不准确,此关系式给出了经典的粒子概念及其力学量对微观粒子适用的限度.为了使测不准关系更具普遍性和透彻性,玻尔对此进行了大量的分析研究.1927年9月,在纪念意大利著名的物理学家伏打,逝世100周年的科摩国际物理学会议上,玻尔发表了为“量子公式和原子论的最近发展”的演讲,首次全面系统地阐述了“互补性原理.”他认为微粒和波的概念是互相补充的,同时又是互相矛盾的,微观客体和测量仪器之间的相互作用是不可控制的,其数学表示是“测不准关系式”它决定了量子力学的规律只能是几率性的,因此,必须抛弃决定性的因果原理.玻尔还特别强调微观客体的行为有赖于观测条件,一个物理量不是依靠其本身即为客观存在,而是只有在人们观测它时才有意义.玻尔的互补原理被哥本哈根学派推崇备至,被认为是一个普遍适用的科学原理.在布鲁塞尔举行的第五届索耳威物理会议上,以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的解释为当时大多数物理学家所接受,因而成为正统的解释.玻恩和海森伯在他们的报告结尾中断言“我们认为量子力学是一个完备的理论,它的基本物理和数学假设是不允许进一步加以修改的.“在此次会议上,爱因斯坦几乎是单枪匹马地进行论争,他断然拒绝哥本哈根派对量子力学的几率解释,称之为“海森伯—玻尔的绥靖宗教”.指出对方人多势众是因为“这种宗教向他们的信徒们暂时提供了一个舒适的、一躺下去就不容易惊醒的软枕.”他坚持认为量子力学只能描述处于相同环境中为数众多而又彼此独立的粒子全体,而不能描写单个粒子的运动状态,因为单个粒子的运动状态必须是决定性的而不能是统计几率性的.由此可见,量子力学理论是不完备的.在1930年召开的第六届索耳威物理会议期间,爱因斯坦精心设计计了一个由时钟和量尺构成的理想实验—光子箱,想以此证明能量和时间的不确定量不满足测不准关系.玻尔为了回答爱因斯坦的挑战,经过一个不眠之夜的紧张思考,发现爱因斯坦在作上述推理时,竟忽视了他自己创立的广义相对论的红移效应.即在引力场中,时钟在运动过程中会延缓.结果这个由爱因斯坦设计的,试图用来否定测不准关系的光子箱,反倒变成了论证测不准关系的理想仪器.从1935年起,爱因斯坦与玻尔的争论焦点由哥本哈根学派方法的不连续性转移到方法的不完备性.同年5月,爱因斯坦与玻多尔斯基,罗森共同发表了一篇题为“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗”的文章,即著名的悖论.它指出波函数所提供的关于物理实在的描述是不完备的,量子学的实质并没有放弃严格的因果律.文章强调物理学理论在对完全确定的实验结果的明确描述方面,并不存在任何局限性.对此,玻尔不久便撰文进行了答辩与驳斥.双方的论争又一次进人高潮.论战持续了几十年之久,直至爱因斯坦和玻尔两位科学巨人相继逝世这场争论仍没有最终结束.作为后人,我们了解和研究这场争论的目的并不在于得出谁是最后的胜者或败者,而是应该关注,在争论中双方共同澄清了一些什么问题创立了什么新的科学方法同时,我们也应看到,两位科学大师的争论,为世人树立了科学争鸣的光辉典范.毫无疑问,争论本身推动了量子力学的建立和完善,并为量子力学的进一步发展提出了新的问题.哥本哈根学派对量子力学的创立和发展作出了杰出贡献，并且它对量子力学的解释被称为量子力学的“正统解释”。玻尔本人不仅对早期量子论的发展起过重大作用，而且他的认识论和方法论对量子力学的创建起了推动和指导作用，他提出的著名的“互补原理”是哥本哈根学派的重要支柱。玻尔领导的哥本哈根理论物理研究所成了量子理论研究中心，由此该学派成为当时世界上力量最雄厚的物理学派。对于量子力学，哥本哈根学派的解释在定量方面首先表述为海森伯的不确定关系。这类由作用量量子h表述的数学关系，在1927年9月玻尔提出的互补原理中从哲学得到了概和总结，用来解释量子现象的基本特征——波粒二象性。所谓互补原理也就是波动性和粒子性的互相补充。该学派提出的量子跃迁语言和不确定性原理(即测不准关系)及其在哲学意义上的扩展(互补原理)在物理学界得到普遍的采用。因此，哥本哈根学派对量子力学的物理解释以及哲学观点，理所当然是诸多学派的主体，是正统的、主要的解释。哥本哈根成员都把研究重点放在量子力学基础的诠释。他们认为，可观察量是建立理论的基础和依据，在逻辑上无法排除人们的主观成分，因此量子理论是主客观要素的结合体；量子跃迁是量子物理的最基本的概念，微观粒子的运动是不连续的，使得测量两个彼此相连的变量遵循测不准原理，同时精确测量这两个变量就不可能；描述微观粒子的波函数是一种几率波，在宏观领域中成立的因果定律和决定论在微观领域不成立；从实验中所观测到的微观现象只能用通常的经典语言做出描述，微观粒子呈现波粒二象性佯谬是用经典语言描述的结果，因此经典语言描述的微观现象既是互补的又是互斥的。1921年，在玻尔的倡议下成立了哥本哈根大学理论物理学研究所。玻尔领导这一研究所先后达40年之久。这一研究所培养了大量的杰出物理学家，在量子力学的兴起时期曾经成为全世界最重要、最活跃的学术中心，而且至今仍有很高的国际地位。当量子力学的数学表达形式在1924一1926年间基本上确立以后，M.玻恩很快地提出了波函数的几率诠释(统计解释)而W.K.海森伯也紧接着提出并按照自己的理解阐述了他的测不准原理。这两种相互关联的看法形成了所谓哥本哈根观点的重要内容，而作为哥本哈根学派的“精神领袖”的玻尔，也就在这种基础上提出了他的“互补性”观点(后来被称为“互补原理”），并逐步发展了他的“互补哲学”。玻尔在1927年首次提出的互补性观点就是企求回答这许多问题。这一观点并无固定的成文的表达，玻尔在不同的场合提出了不同的说法。按照他的看法，物质世界中的客体，精神世界中的概念，语言文字中的单词，全都各自具有许多不同的“方面”，有如数学中同一个多值函数的许多不同的值。对于同一个研究对象来说，人们一经承认了它的某些方面就必须放弃另外的一些方面，在这种意义上二者是“互斥的”。然而，那些另外的方面却又不是可以彻底废除的，因为在另外的适当条件下人们还必须用到它们(这时就必须放弃在前面提到的条件下所应承认的那些方面)。在这种意义上二者又是“互补的”。例如，玻尔认为，微观客体的“粒子性”和“波动性”，就是这样既互斥又互补的两个方面。这种想法，就是所谓互补原理的基本内容。爱因斯坦在关于量子力学体系是否具有完备性的科学争论背后，敏锐地觉察到了哥本哈根学派的量子物理学家坚持着一种狭隘的可观察性原则。哥本哈根学派的这种哲学思想同贝克莱的原理“存在就是被感觉”如出一辙。在爱因斯坦看来，一个命题是否正确，并不能单凭是否能直接观察来断定，而是看它是否与感觉经验有一定联系，并在理论体系中是否合理。1926年春天，海森堡与爱因斯坦进行了一次谈话。爱因斯坦说：“难道你是认真地相信只有可观察量才应当进入物理理论吗？”海森堡回答：“你处理相对论不正是这样的吗？你毕竟还曾强调过这一事实，说绝对时间是不许可的，仅仅因为绝对时间是不能被观察的；……”爱因斯坦承认，“可能，我是用过这种推理，但是这仍然是毫无意义的。一个人把实际观察到东西记在心中，会有启发性帮助的，我这样说，也许能够更加灵活地解释它。但是在原则上，试图单靠可观察量来建立理论，那是完全错误的。事实上，恰恰相反，是理论决定我们能够观察到的东西。”在与哥本哈根学派的争论中，爱因斯坦坚持的哲学观无疑是正确的。但哥本哈根学派总是拿出相对论来作挡箭牌，大有只许你放火不许我点灯之势。然而爱因斯坦为相对论所做的辩护是没有说服力的。正如爱因斯坦所说“是理论决定我们能够观察到的东西”，速度之所以能够成为可观察的量，是因为理论已经为我们定义了时间和长度。然而在狭义相对论中，在时间和长度未有定义之前却有了光速！在爱因斯坦用著名的“爱因斯坦盒子”思想实验批判波尔的测不准原理的交锋中，波尔却利用爱因斯坦自己创立的广义相对论驳回了“爱因斯坦盒子”思想实验。是经典物理的危机催生了相对论和量子力学，然而相对论和量子力学彼此都反对对方为解决危机所采用的途径。相对论试图解决经典物理面临的根本性困难，而量子力学试图解决经典物理面临的技术性问题或精度问