20世纪初,比利时化学家、业余学者、企业家、政治家和慈善家欧内斯特·索尔维创立了索尔维会议。索尔维是一个很像诺贝尔的人,本身既是科学家又是家底雄厚的实业家,万贯家财都捐给科学事业。诺贝尔是设立了以自己名字命名的科学奖金,索尔维则是提供了召开世界最高水平学术会议——"索尔维会议"的经费。 1865年,索尔维发明了以他名字命名的制碱法:索尔维制碱法,产品由于质量纯净而被称为纯碱,并在世界上获得迅速发展,至今这个过程依然是制作苏打的最重要的化学工艺。 1911年10月,索尔维邀请包括居里夫人在内的当时世界上杰出的科学家们,在布鲁塞尔举行了国际性的索尔维会议,探讨物理学和化学发展中尚待解决的重大问题。后来虽然一度被第一次世界大战所打断,但从1921年开始又重新恢复,定期3年召开一次。并分为索尔维物理学会议和索尔维化学会议。 1927年,第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开。因为发轫于这次会议的阿尔伯特·爱因斯坦与尼尔斯·玻尔两人的大辩论,这次索尔维峰会被冠以"最著名"的称号。 一张汇聚了物理学界智慧之脑的"明星照"则成了这次会议的见证,数十个涵盖了众多分支的物理学家都留下了他们的身影,爱因斯坦、玻尔更是照片的灵魂人物。这张照片被称为是物理学的"全明星"合影。 在本次物理界最豪华聚会上,29位与会者中有17人是诺贝尔奖得主,唯一的女性居里夫人得过两次诺贝尔奖。中国武林小说史上著名的华山论剑,也没有如此阵容。 摄于国际索尔维物理研究所,图中文字标出的为17位诺奖得主。 第一排:欧文·朗缪尔、马克斯·普朗克、玛丽·居里、亨德里克·洛伦兹、阿尔伯特·爱因斯坦、保罗·朗之万、Ch. E. Guye、C.T.R.威尔逊、O.W.里查森 第二排:彼得·德拜、马丁·努森、威廉·劳伦斯·布拉格、Hendrik Anthony Kramers、保罗·狄拉克、亚瑟·康普顿、路易·德布罗意、马克斯·波恩、尼尔斯·玻尔 第三排:奥古斯特·皮卡尔德、E. Henriot、保罗·埃伦费斯特、Ed. Herzen、Théophile de Donder、埃尔温·薛定谔、E. Verschaffelt、沃尔夫冈·泡利、沃纳·海森堡、R.H.福勒、里昂·布里渊 现代物理学奠基人爱因斯坦 爱因斯坦,美籍德国犹太裔,理论物理学家,相对论的创立者,现代物理学奠基人。 1921年获诺贝尔物理学奖,1999年被美国《时代周刊》评选为"世纪伟人"。 爱因斯坦曾经是量子力学的催生者之一,但是他不满意量子力学的后续发展,爱因斯坦始终认为"量子力学(以波尔为首的哥本哈根诠释:"基本上,量子系统的描述是机率的。一个事件的机率是波函数的绝对值平方。")不完备",但苦于没有好的解说样板,也就有了著名的"上帝不掷骰子"的否定式呐喊!爱因斯坦到过世前都没有接受量子力学是一个完备的理论。爱因斯坦还有另一个名言:"月亮是否只在你看着他的时候才存在?" 1927年10月参加第五届布鲁塞尔索尔维物理讨论会,开始同哥本哈根学派就量子力学的解释问题进行激烈论战。发表《牛顿力学及其对理论物理学发展的影响》。 量子力学前辈马克斯·普朗克 第五届索尔维会议讨论的核心是有关量子力学的,而追溯量子力学就不得不提及一个人,那便是马克斯·普朗克(MaxPlanck1858~1947,前排左二),德国物理学家,"量子力学之父"。参加这届索尔维会议时他已经69岁,德高望重,是当然的前辈。 19世纪末,扬弃古典物理学的观念已提上日程。因而消除牛顿力学和麦克斯韦电磁场这两大理论之间的不一致,就成为二十世纪物理学发展的前提。普朗克此时提出了一个大胆的假说,在科学界一鸣惊人。这一假说认为辐射能(即光波能)不是一种连续的流,而是由小微粒组成的。他把这种小微粒叫做量子。普朗克的假说与经典的光学学说和电磁学说相对立,使物理学发生了一场革命,使人们对物质性和放射性有了更为深刻的了解。 反叛的哥本哈根学派 该届索尔维会议上有三大阵营。以玻尔为中心的便是哥本哈根学派,年轻、激情是他们的标签,因而被称为反叛的一群。其中有尼尔斯·玻尔、马克斯·玻恩、海森堡、沃尔夫冈·泡利等。 尼尔斯·玻尔(NielsBohr,1885-1962,中排右一),在量子力学的发展上提出了具有突破性的"对应理论",成为量子力学的奠基人之一,哥本哈根学派的掌门人。 马克斯·玻恩(MaxBorn,1882-1970,中排右二)是德国理论物理学家,量子力学的奠基人之一。从1923年开始,他致力于发展量子理论。由于他从具体的碰撞问题的分析出发,提出了波函数的统计诠释波函数的二次方代表粒子出现的概率,于1954年获得了诺贝尔物理学奖。 同为德国人的海森堡(WernerKarlHeisenberg,1907-1976,后排右三)是量子力学第一种有效形式(矩阵力学)的创建者,他更是为后人留下了一个神秘诡谲的"海森堡之谜"。"二战"期间,纳粹德国召集众多科学家研制原子弹,海森堡是其中核心人物,但最后德国并没有造出原子弹,有一说法正是海森堡没有尽全力,但海森堡本人一直拒绝披露其中的真相。 美籍奥地利科学家沃尔夫冈·泡利(WolfgangPauli,1900-1958,后排右四)是迎着20世纪的曙光来到世界的,父亲、教父坚深的物理学背景使其从小在物理学的润"物"细无声中成长。泡利是上世纪主要的理论物理学家之一。不相容原理、核子自旋的假设、中微子的假设,以及粒子自旋和统计之间关系的阐述,都是他对物理学的发展作出的卓越的贡献。 哥本哈根学派的质疑者 尽管哥本哈根学派所提出的量子力学有无穷的魅力,但爱因斯坦、薛定谔、德布罗意等人还是对此提出了质疑,这些质疑同样促进了量子力学的发展。 阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955,前排正中)的名字与相对论是截然不可分的,不过这位20世纪最有智慧的头脑还提出过光量子,他和马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔一样为量子力学最初的发展做出了巨大贡献。在这张照片中,他居于最突出的位置,可见他当时的地位。 埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger,1887-1961,后排右六)是奥地利理论物理学家。20世纪20年代,因为量子力学的发展,薛定谔的名字与爱因斯坦、玻尔、玻恩、海森堡等捆在了一起,而那只半死半活的"薛定谔的猫"更是科学史上著名的怪异形象之一。1933年,薛定谔因建立描述电子和其他亚原子粒子的运动的波动方程,获得诺贝尔物理奖。在爱因斯坦和玻尔的论战中,他是支持爱因斯坦最有力的科学家。 路易·德布罗意(Louls-Victorde Broglie,1892-1987,中排右三)是法国著名理论物理学家,物质波理论的创立者。1924年11月,德布罗意在博士论文中阐述了著名的物质波理论,并指出电子的波动性。这一理论为建立波动力学奠定了坚实基础。由于这一划时代的研究成果,使他获得1929年的诺贝尔物理学奖,同时也使他成为第一个以学位论文获得诺贝尔奖金的学者。 实验派:我走我的独木桥 照片中,除以爱因斯坦和玻尔为轴心人物的两大阵营外,还有另一派,那是只关心实验结果的实验派,包括布拉格和康普敦。 康普顿(A.H.Compton,1892—1962,中排右四),他于1922—1923年间研究了X射线经金属或石墨等物质散射后的光谱。在索尔维的峰会上,他倾心于他的实验成果,报告了康普顿实验以及其和经典电磁理论的不一致,而劳伦斯·布拉格则做了关于X射线的实验报告。出现在照片中的威廉·亨利·布拉格(W.H.Bragg,1862-1942,中排左三)便是其父亲,现代固体物理学的奠基人之一。由于在使用X射线衍射研究晶体原子和分子结构方面所作出的开创性贡献,他与儿子分享了1915年诺贝尔物理学奖。 物理学界的明星主持人 荷兰物理学家亨德里克·安东·洛伦兹(HendrikAntoonLorentz,1853—1928,前排左四),在莱顿大学任教期间创立了电子论,并与塞曼因研究磁场对辐射现象的影响,发现塞曼效应,分享了1902年度诺贝尔物理学奖。1904年他提出著名的洛仑兹变换公式,并指出光速是物体相对于以太运动速度的极限。 洛仑兹不仅是物理学界的明星人物,由于其通晓人文地理,且掌握多门外语,是国际物理学界的各种集会很受欢迎的主持人,此次物理学家的峰会便是由其主持。 中国物理学会的"催化剂" 这些物理界的明星人物中,有一人还对中国物理学会的成立起过积极的作用,那便是保罗·朗之万(PaulLangevin,1872—1946,前排右四)。朗之万生于巴黎,1905年他看到爱因斯坦的论文后,对相对论表示了浓烈的兴趣,并和爱因斯坦结下了深挚的友谊。他形象地阐述相对论并作了大量宣传工作,因而有"朗之万炮弹"的美称。 1931年,正值"九一八事变"发生,朗之万受国际联盟委托来中国考察教育,对中国人民的抗日活动表示声援。他甚至呼吁中国物理学界联系起来,催化了当时酝酿已久的中国物理学会成立。朗之万本人也成为中国物理学会第一位名誉会员。 埃伦费斯特、狄拉克和德拜 三人中埃伦费斯特对量子力学的发展也起过积极的作用。埃伦费斯特(P.Ehrenfest,1880-1933,后排左三),荷兰物理学家。如果说,玻尔的对应原理是在经典物理学和量子力学之间架起的一座桥梁,那么,埃伦费斯特的浸渐原理则是两者之间的又一座桥梁。 1906年,埃伦费斯特开始研究普朗克辐射定律的统计力学基础。爱因斯坦对他的思想评价颇高,1914年称埃伦费斯特的原理为"浸渐假说"。玻尔也充分肯定埃伦费斯特的贡献,承认在自己后来的工作中浸渐原理起了很重要的作用。 保罗·A·M·狄拉克(PaulAdrienMauriceDirac,1902-1984,中排左五)是一位英国物理学家。他长期从事科学研究,创立量子电动力学;1928年建立"狄拉克方程",即相对论形式的薛定谔方程;这个貌似简单的方程式从理论上预言了正电子的存在,具有划时代的意义;它对原子结构及分子结构都给予了新的诠释。 1935年他曾来中国,在清华大学讲学,并曾被选为中国物理学会名誉会员。 彼得·德拜(PeterDebye,1884-1966,中排左一),是出生于荷兰的美国物理化学家。因通过偶极矩研究及X射线衍射研究对分子结构学科所作贡献而于1936年获诺贝尔化学奖金。 居里夫人 物理学,在通常的认识中是被男性占据的领地。梦之队差一点又将佐证这一常识,但偏偏就有那么个"出格"的人打破了这一"神话",那便是居里夫人。 1867年出生的居里夫人(MarieCurie,1867-1934,前排左三)尽管受教育较晚,却一点都没阻拦她在物理学、化学等领域的研究和所作的贡献。居里夫人凭着坚韧的精神前进在严肃的学术领地中,她选择"放射性"作为其一生要攻克的领地,研究了许多物质,发现钍及其化合物的特性与铀相同。研究沥青铀矿时,她发现了镭和钋。1910年她成功地分离了纯镭。因居里夫人的突出贡献,她曾两次获诺贝尔奖,1903年的物理奖,1911年的化学奖。 时间:1927年10月24至29日,星期一 地点:比利时布鲁塞尔 会议主题:电子和光子 与会人员:29人(其中17人获得诺贝尔奖) 盖世巨星,荟萃一堂,顶级智慧,交织碰撞。如果不发生点故事,那真是上帝对不起佛祖,佛祖对不住真主了。幸运的是,故事还真就发生了。实际上,热盼这个故事的,不光是我们这些围观群众。故事的主角,也都各有期待。一切都源自会议的主题:新量子力学及其相关问题。 说白了,这场会,就是为了解决量子论的各种闹心问题。量子力学在数学上很美很强悍,但在哲学上让人抓狂:它到底什么意思?世界的本质是什么? 玻尔认为,哥本哈根解释,就是答案。他的追随者已经统一了思想。对他们来说,现在,答案不是问题,问题是让人接受这个答案,尤其是让爱因斯坦接受这个答案。把爱因斯坦拉进队伍,量子论就有了精神领袖。这是哥本哈根派的想法。爱因斯坦,你愿,或者不愿意,我都会拉你上船!这是玻尔的想法。 那时,多数物理学家和咱俩一样,属于不明真相的围观群众,围观着一个匪夷所思的事件,不敢相信自己的眼睛和耳朵,急切地想知道意见领袖的想法,那个意见领袖还能是谁呢?当然是爱因斯坦。 对爱因斯坦来说,别人怎么看他,都不重要,重要的是,他怎么看眼前的量子论。量子论的数学基础,他没意见。对概率的数学结果、不确定的数学结果,他也能接受,但是,概率、反因果律、反客观性的解释,他无法接受。在他看来,物理学如果搞成这样,那是物理学家的悲哀。世界是不确定的,我们只能用概率来描述世界——这不是物理学,这是物理学的悲哀。所以,我不能因为你的期待,就背上良心债。对不起,亲爱的,无论你如何爱我,我都要做你的敌人! 会议日程很简洁:1.宣读5篇报告;2.讨论。这5篇报告是:布拉格(Sir William Lawrence Bragg)的《X射线反射的强度》;康普顿的《辐射实验与电磁定理间的不一致》;徳布罗意的《量子的新动力学》;玻恩+海森堡的《量子力学》;薛定谔的《波动力学》。日程安排相当精当,这一套报告下来,量子论的简历和免冠近照就历历在目了。组委会曾邀请爱因斯坦做报告,但爱因斯坦找来一堆理由拒绝了。 第一天。布拉格、康普顿报告后,所有重要人物都发了言,除了爱因斯坦。 第二天。徳布罗意王子提出了"导波理论":电子是一种既是粒又是波的存在,就像浪里浮萍,浮萍要去哪,浪说了算。这和哥本哈根解释正好相反:首先,不管王子描述的这个画面有多荒唐,但毕竟有个经典图像让你去想象,甚至可以画出来。而哥本哈根解释的波粒二象,是没有经典画面的——人类脑子里能冒出来的画面,都是经典画面,想象力再丰富,也离不开对现实经验的改装。其次,小德认为,电子在你没观测之前,它也是以波粒二象存在的,你观测它,会看到其中一面;而哥本哈根派认为,在没观测前,电子无所谓是波是粒,它什么都不是,只有你观测了,才由观测方法决定它以何面目出现。所以,徳布罗意刚把观点亮出来,就遭到泡利的强烈炮轰,玻恩和海森堡在旁助阵。吵架,小德哪是泡利的对手,何况对方还有帮腔的,遂寡不敌众,用忧郁的眼神瞟向山一样沉默的爱因斯坦,脸上写满SOS。但爱因斯坦坚持沉默是金的本色,脸上写满麻木不仁。王子一看,没戏了,就很绅士地宣布放弃观点,跳出阵外,加入了围观队伍。 第三天。 上午。海森堡、玻恩发布了量子论联合声明,包括:数学体系、物理解释、不确定性原理、量子力学的应用。巴拉巴拉之后,他们表示,新量子力学,实际上是普朗克、爱因斯坦、玻尔"三教父"所创老量子论的"直接延续"。最后,他俩骄傲地宣布:"量子论已经搞定了,它相当完整,它在物理上、数学上的基本假设,都用不着再作任何修改了!"听了这句话,爱因斯坦脸上浮现出一丝笑意。埃伦费斯特读出,这是一个嘲笑,于是写了张纸条给爱因斯坦:"别笑……"。爱因斯坦回条曰:"我笑,是因为它太幼稚……"。会上,爱因斯坦依然沉默。 下午。薛定谔发布波动力学声明,给出了回归经典的观点,算是围魏救赵地声援了徳布罗意。但他亮出来的,还是老掉牙的电子云图——尽管他引入了抽象的多维空间。这回,连徳布罗意都觉得不给力。果然,薛定谔被哥本哈根派群起攻之,玻尔、玻恩、海森堡主攻老薛,上演了一场欧版"三英战吕布"。爱因斯坦:我是一个木头人,不会说话不会笑…… 第四天。法国科学院举办纪念菲涅尔逝世一百周年纪念活动,索尔维会议休会一天半,爱因斯坦、玻尔等20人去巴黎向菲涅尔致敬。 第五天。下午。索尔维会议复会。大神们都很兴奋,纷纷用不同的语言申请上台发言,主持人兼翻译洛伦兹被英、法、德、丹麦等各种语言的混合立体声搞得头大。埃伦费斯特决定维护秩序,他走到黑板前,写下一行字:"上帝让地球人语言不通。"这是圣经里的一个传说:勤劳勇敢有理想的人类团结奋斗,搭建通天塔,也就是巴别塔。上帝一看不得了,于是设计破坏:让人类说不同的语言。相互说话听不懂,一时又没人能过外语4级,无法沟通,计划失败,遂各奔东西。天才们见字会心一笑,绅士起来。洛伦兹点名玻尔发言。玻尔强调了哥本哈根观点:在观测之前,没有什么"客观现实性"。所谓客观现实性,不能独立于观测者。翻译过来:从来就没有什么速度,也不没有质量位置。要创造世界的幸福,全靠我们观测! 在你测量电子的位置之前,电子不存在于任何位置。翻译一下:没观察到的电子是不存在的! 啊?! 先别忙着诧异,因为接下来,玻尔得出一个更让人忍无可忍的结论: 物理学的任务,不是要找出自然是什么,而是对于自然,我们能说什么。 玻尔,你是在开玩笑吗?你知道自己现在的言论更像一个神棍吗?你没观测之前,电子不存在;只有你观测了,它才有动量、质量和位置?!你拿自己当上帝,俺们忍忍也就过去了。可你现在连物理学家的神圣使命也给改了!不去探索自然是什么,不去追问客观世界的本质是什么,要我们物理学家干嘛? 神马?你说不存在什么"客观",不存在什么"本质",甚至不存在什么"真实的"基本粒子?!这些虚无缥缈的所谓粒子,只是构成"可能出现的世界",至于究竟出现什么世界,取决于我们怎样观测?!! OMG!太不像话了!不是上帝疯了,就是你疯了!我必须出手了!爱因斯坦朝手里一看,既没拿柿子,也没拿鸡蛋,于是走到黑板前,画出一款模型:一只电子穿过一个小孔,冲向屏幕。爱因斯坦指出,现在,有两种解释: 根据哥本哈根解释:电子穿过小孔后,冲向屏幕的,不是所谓的电子或它的分身,而是一团概率波。别看只是一个电子的概率波,它占的空间可不小,覆盖了整个屏幕。电子会选屏幕上的哪个点落脚呢?波函数告诉我们,任何一点都有可能成为落脚点,只是各点的概率不同而已——它落在屏幕上任何一点的概率都大于零。OK,现在电子决定,落在A点。那么,此刻,重点来了:电子落在A点的概率一下子变成了100%,与此同时,其余无数个点的概率立即变成了零!这就是所谓"波函数坍缩"。其他各点概率波的瞬间消失,是因为A点中奖——问题是,别处的概率波怎么能立即知道A点信息呢?难道有超光速信号?这可是违反相对论的!也是违反"局域性"要求的。所谓局域性,通俗点说,是指事物的影响范围,都是有限的,而不是无限的。所以说,哥本哈根派认为的"完整的"量子力学,其实不完整。 第二种解释:电子穿过小孔打到屏幕,存在N多可能的路径,而电子实际上走的是其中一条路。但是,现在的量子力学方程,不能精确地描述这条路,只能描述这些路的集合,并给出概率,这就是波动函数描述的所谓概率波——老薛所说的电子云。它说的是,电子出现在某处的可能性有多大。所以,这是一个"统计分布"的函数。这跟处理布朗运动的算法差不多,都是一种统计手法,权宜之计。从这个角度看,现在的量子力学,也算不上是终极版。 玻尔和他的小伙伴们表示:不太明白爱因斯坦在说什么。但他们觉得,"波函数坍缩"的猥琐形象需要洗白一下:波函数只是一个抽象的概率波,而不是真实飘荡在空间的波,所以,它在A点坍缩时,不需要把消息传给其他各点,也就是说,其他各点的波函数,不需要接到A点通知,就能在同一时刻把概率集中到A点,不管离A有多远。但是,这套含糊不清的说辞,又怎么能让爱因斯坦心悦诚服?所以,玻尔感到很受挫,他伤感地说:"我不知道什么是量子力学。我想,我们是在耍些数学手段,这些手段适合描述我们的实验。" 对爱因斯坦的这款思想实验,玻尔和他的小伙伴们当时没有正面回应。不过后来,这个实验不断改进,由单孔衍射,变成双缝干涉,又变成自由开关双缝(没错,就是咱俩前不久做过的那个系列实验),进化出N个升级版、加强版,衍生出多少精彩绝伦的分析、匪夷所思的假设、不可思议的结果……这些后话,我们在前面说过,这里按下不表。 这个思想实验,虽然在会上没有结果,但它拉开了世纪论战的帷幕,两个幕后主角由此亮相台前,短兵相接,针锋相对,为我们留下一场精妙绝伦的精神大餐。 索尔维会议开着开着,变成了一场激烈的量子论战,场上阵营对峙,泾渭分明: 正方:玻尔、玻恩、泡利、海森堡。 反方:爱因斯坦、薛定谔。还有一位,但是大家都没有留意,倒不是分量不够,而是他不怎么说话——狄拉克。他始终对哥本哈根解释不感冒。爱因斯坦,我在精神上支持你! 无所谓方:徳布罗意。怎么都好,不凶我就行。但这个和平主义者内心还是偏向爱因斯坦的。 这里似乎有个规律,集团军都偏向玻氏,而独行侠都倒向爱氏。 裁判组:布拉格、康普顿等。他们只相信实验结果。好吧,其实他们是酱油组,因为这里没实验可做。于是,酱油组的阵容顿时强大起来,其他那些叱咤风云的牛人,在这里基本插不上嘴,只能用迷茫的眼神围观。 实际上,围观的又何止是酱油组,正反双方的成员后来也加入了围观团,因为场上变成了主帅的单挑。 爱因斯坦和玻尔的论战,不分时间和场合,会场上、餐桌旁、房间里,随时过招,爱因斯坦步步紧逼,花样迭出,招招奇绝,令人目不暇接;玻尔一一化解,沉稳老道,式式精妙,让人眼花缭乱。海森堡、泡利、埃伦费斯特等一干好事之徒这下可饱了耳福,却苦了徳布罗意,因为他只懂法语,只能眼巴巴地看着小伙伴们兴奋地凑热闹。其实听得懂的,也不比徳布罗意舒坦。比方说洛伦兹老先生,会场里的每一种语言他都听得懂,但量子新人类的思想,却让他困惑不已,这还不算太折磨,更折磨的是,他还要时不时地把这些毁三观的东西翻译给别人听,以至于他常有这种错觉——这些胡话是从他自己嘴里说出来的。洛老师在这种双重折磨下度过了索尔维会议的主持生涯。 海森堡和泡利在休息时,常常试着去拆爱因斯坦的招,玻尔会找他们交流,再次见到爱因斯坦时,玻尔就有了化解爱因斯坦攻击的新招。 值得一提的是,虽然爱因斯坦攻击的目标是哥本哈根解释中的哲学认识,但他提出的思想实验本身,完全是从纯物理的角度出发,而玻尔拿来应对的招数,则借助了更多的哲学思想(埃伦费斯特语:玻尔总会从哲学的迷雾中找到工具来粉碎一个又一个例证)。玻尔的无敌神功在索尔维会议上又一次大展神通:在与爱因斯坦PK的同时,玻尔锲而不舍,逐个击破,说服酱油党接受哥本哈根解释——至少不提出过多的质疑。他成功了。但他最想争取的目标却毫无进展。两人一直争论到散会。结果是:没有结果。 "上帝是不掷骰子的!"爱因斯坦说。 "别指挥上帝该怎么做!"玻尔说。 "爱因斯坦,我为你感到羞愧。你反驳新量子论,就像你的对手反驳相对论一样。"埃伦费斯特说。