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震动的微粒子的解说者——量子论 上世纪初,一位比利时的实业家欧内斯特·索尔维创立了索尔维会议。1911年,第一届索尔维会议在布鲁塞尔召开,以后每3年举行一届。1927年,第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开了,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之以“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。

会议背景

二十世纪初,实业家欧内斯特·索尔维创立了索尔维会议。
1911年,第一届索尔维会议在布鲁塞尔召开,以后每3年举行一届。
1927年,第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开了,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之以“最著名”的称号。
索尔维会议照片(彩色为后期技术处理)

索尔维会议照片(彩色为后期技术处理)

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,被称为是物理学的“全明星”合影!
虽然已经过去将近一百年,但是至今没有第二张照片能出其右。

参会人员

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》。

M·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(Max Planck1858~1947,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。

H·A·洛伦兹

荷兰物理学家亨德瑞克·安图恩·洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz,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。
洛伦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。

P·朗之万

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(Paul Langevin,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。

P.埃伦费斯特

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。

P.A.M.狄拉克

保罗·阿德里·莫里斯·狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac,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。

P.德拜

彼得·德拜(Peter Debye,1884-1966,中排左一),是出生于荷兰的美国物理化学家,发明了著名的德拜相机,使得X光材料分析成为一门课程。
1936年,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获诺贝尔化学奖。

M.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年出生的玛丽·斯可罗多夫斯·居里(Marie Curie,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。
1927年第五届索尔维会议

1927年第五届索尔维会议

与会人员:
后排左起:A.皮卡尔德(A.Piccard)E.亨利厄特(E.Henriot)P.埃伦费斯特(P.Ehrenfest)
Ed.赫尔岑(Ed.Herzen) Th.顿德尔(德康德)(Th. de Donder)
E.薛定谔(E.Schrodinger) E.费尔夏费尔德(E.Verschaffelt) W.泡利(W.Pauli)
W.海森堡(W.Heisenberg) R.H.否勒(R.H.Fowler) L.布里渊(L.Brillouin )
中排左起:P.德拜(P.Debye) M.克努森(M.Knudsen) W.L.布拉格(
后期上色的索尔维会议照片

后期上色的索尔维会议照片

W.L.Bragg) H.A.克莱默(H.A.Kramers) P.A.M狄拉克(P.A.M.Dirac) A.H.康普顿(A.H.Compton ) L.德布罗意(L. de Broglie) M.波恩(M.Born) N.玻尔(N.Bchr )
前排左起:I.朗缪尔(I.Langmuir) M.普朗克(M.Planck M.居里夫人(Mme Curie )
H.A.洛伦兹(H.A.Lorentz ) A.爱因斯坦(A.Einstein) P.朗之万(P.Langevin)
Ch.E.古伊(Ch.E.Guye) C.T.R.威尔逊(C.T.R.Wilson)
O.W.里查逊(O.W.Richardson)

会议阵营

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、海森伯、沃尔夫冈·泡利等。
尼尔斯·玻尔(Niels Bohr,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
索尔维会议上的讨论

索尔维会议上的讨论

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。
同为德国人的海森伯(Werner Karl Heisenberg,1901-1976,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“海森伯之谜”(后称为“不确定关系”)。1929年,他同W.E.泡利一道曾为量子场论的建立打下基础 ,首先提出基本粒子中同位旋的概念。1932年获诺贝尔物理学奖。“二战”期间,纳粹德国召集众多科学家研制原子弹,海森伯是其中核心人物,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,但海森伯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(Wolfgang Pauli,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。

哥本哈根反对派

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。
路易斯·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

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,包括布喇格和康普敦。
康普敦(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。

会议过程

量子力学论战
量子力学产生以来,正确性以被大量实验验证.
然而,量子力学存在一个重大问题没有解决:量子力学是否是完备的,波函数是否精确描写了单个体系的状态.

前奏

哥本哈根学派认为:
1.波函数精确地描述了单个体系的状态.
2.波函数提供统计数据,测不准关系的存在是由于粒子与测量仪器之间的不可控制性.
3.在空间,时间中发生的微观过程和经典因果律不相容.
爱因斯坦对此并不认同,一个没有严格因果律的物理世界是不可想象的.
他认为:量子力学可能出了问题.
一场世纪大辩论即将展开.

第一次论战

第五届索尔维会议召开,主题是光子和电子.
派系
会议分为三派:
实验派:布拉格康普顿
哥本哈根学派:波尔波恩海森伯
爱因斯坦派:爱因斯坦 德布罗意 薛定谔
论战展开
罗意德布罗意说:粒子是波场中的一个奇异点,波引导着粒子运动.
泡利狠狠批评这个理论,举出一系列实验结果反驳德布罗意,德布罗意被迫放弃自己的观点.
海森伯和波恩说:我们主张量子力学是完备的,它的基本物理假说和数学假设不能进一步修改.他们攻击薛定谔的电子云.
薛定谔承认自己的计算不完美,但谈论电子轨道是胡扯.
爱因斯坦发言
爱因斯坦终于说话了,他提出一个模型:
一个电子通过一个小孔得到衍射图像.
爱因斯坦指出两种观点:
1.这里没有一个电子,只有一团电子云
2.的确只有一个电子,波函数是"几率分布
爱因斯坦反对观点2,因为:
这种随机性表明同一过程产生不同结果.
即感应屏的许多区域同时对电子观测作出反应.
而这似乎暗示一种超距作用,从而违背相对论.
海森伯的回忆
"讨论很快就变成一场爱因斯坦和波尔之间的决斗."
"我们一般在旅馆用早餐就见面,于是爱因斯坦就描绘一个思维实验,他认为从中可以清楚地看出歌本哈根解释的内部矛盾."
"一般来说玻尔在傍晚的时候就对这些理想实验完全心中有数,他会在晚餐时把它们分析给爱因斯坦听.爱因斯坦对这些分析提不出反驳,但在心里他是不服气的."
爱因斯坦的失利
爱因斯坦如此虔诚地信仰因果律,以致决不能相信哥本哈根那种愤世嫉俗的概率解释.
"上帝不掷骰子!"
但是第一次论战他输了.输给玻尔的哥本哈根学派.

第二次论战

三年后的秋天,第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开.
爱因斯坦的算盘
爱因斯坦凭着和玻尔交手的经验知道:
在细节问题上是争不出个什么所以然
他必须得瞄准最关键的精髓所在:不确定性原理!
爱因斯坦提出光箱实验
箱子里有若干光子.
打开时间Δt ,只放出一个光子,Δt确定
于是箱子轻了Δm ,可以用理想的秤测出
将Δm代入E=mc^2, ΔE也确定
ΔE和Δt都确定,测不准原理
ΔEΔt > h/2π不成立
这个实验的精髓所在是:
在精确测量Δt时,可以精确测量Δm
而Δm可以由质能方程转化为精确的ΔE
ΔE,Δt都是精确的,测不准关系失效了
玻尔对此毫无准备,他脸如死灰,呆若木鸡
第二天,玻尔的胜利到来了
玻尔指出:
一个光子跑了,箱子轻了Δm
用弹簧秤称,设置零点,设位移Δq
根据广义相对论的红移效应,箱子在引力场移动Δq, Δt也相应改变ΔT
可以计算:ΔT>h/Δmc^2
代入E=mc^2得ΔEΔT > h/2π
Δq
这次轮到爱因斯坦说不出话了
爱因斯坦的广义相对论推翻了他自己.
哥本哈根学派大获全胜.
玻尔又赢了.
爱因斯坦并不甘心
爱因斯坦不得不承认哥本哈根的解释是没有矛盾的,量子力学依靠概率论.但他认为这种统计描述并不是完整的"图像".
用爱因斯坦自己的话说,量子力学理论是不完备的,波函数并不能精确描写单个体系的状态.它所涉及的是许多体系,只是一个"系宗".
哥本哈根学派的统计描述只是一个中间阶段,应当寻求更完备的理论.
与此类似,玻姆的理论认为:
量子力学之所以是一个统计理论(哥本哈根派的解释),是因为存在还未发现的隐变量.个别体系的规律,正是由它们决定.
如果能找出隐变量就可以准确地决定微观现象每一次测量的结果,而不只是决定各种可能出现的结果的几率.
也就是说,如果发现隐变量,那么因果律还是存在的,"上帝不掷骰子".

历史影响

爱因斯坦没有出席第七届索尔维会议,由于纳粹德国的迫害而背井离乡.
而这次会议的主题已改成原子物理.
量子力学的索尔维会议已经结束了.
然而事情并没有就此完结.
1935年,薛定谔发表论文《量子力学的现状》,提出了恶梦般的猫实验.
对次,哥本哈根学派只能吞下苦水,承认那只猫是处于"死活混合"的幽灵态.
他们对次的解释甚至涉及了"意识".
索尔维会议如一个历史舞台,见证着量子力学的发展与存在.
爱因斯坦似乎成了"反派",扮演着与当年那些妄图推翻相对论的人相似的角色.
而玻尔经受住这些考验,哥本哈根学派的思想广泛流传.
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