【科学大唠嗑】量子的奥秘（12）20世纪最聪明的大脑的聚会
科学大唠嗑
张 喆
天津市天文学会会员
天津科技馆科普辅导员
读书会共读老师
这期节目咱们来说说索尔维会议。
1911年，物理学的第一届索尔维会议召开。会议由普朗克和能斯特发起，洛伦兹主持，讨论与辐射理论和比热容理论相关的问题。比利时工业家和慈善家欧内斯特·索尔维为会议提供了资金支持。
欧内斯特·索尔维
这索尔维是谁呢？他是当时比利时的一个化学家，同时也是一个工业家。那个时代，化学家是特别容易发财的，因为化学本身在蓬勃发展，而且化学的每一点进步都容易产生出工业用得着的新材料，所以化学家一个配方出来，往往就发财了。这个索尔维就发明了一种制碱的新方法，所以就发财了。
那个时候的化学家最有名的还有谁啊？诺贝尔，他就是因为发明了炸药，所以就发财了。但这索尔维真的是不走运，为什么？发财发迟了。人家诺贝尔当化学家、当工业家发财之后，设立了诺贝尔奖，至今一百年了还非常有名的一个科学保护人。
而索尔维就因为发财迟了十年，所以这个时候他再想去当科学保护人的时候，就没有最大的机会了。所以，支持科学家要趁早。那诺贝尔奖第一届颁奖是在1901年，而索尔维动这个点子动迟了十年，所以他到1911年才想出一个办法，说我能不能开一个全球顶级的物理学家的一个会呢？这就叫索尔维会议。
第一届索尔维会议是在1911年开的，然后每三年一届。那这个会议怎么开呢？就是给全世界各个大物理学教授、学者发请柬，到比利时的布鲁塞尔来开会，来开会还给1000法郎。
来的都是谁呢？群星璀璨，什么居里夫人、洛伦茨，包括爱因斯坦。可是爱因斯坦这个时候还非常之年轻，是里面最年轻的一个人，现在历史上还留下了第一届索尔维会议的那张照片，那个照片特别有意思，最旁边的这个人就是爱因斯坦，因为当时他的那个地位还没法在中间。你看低着头那个人是谁啊？居里夫人，那届索尔维会议上面的大明星，就是居里夫人，居里夫人连镜头都懒得看，低着头，跟别人商量事呢，这种照片爱拍不拍。
可是到了1927年，当索尔维会议进行到第五届的时候，你再来看这张照片，这张照片不得了，号称是当时20世纪最聪明的大脑的第一次大聚会。这张照片上就更是群星璀璨了，什么普朗克、爱因斯坦，什么居里夫人、薛定谔，包括后起之秀的波尔，全部在这张照片里。
第五届索尔维会议的主题是“电子和光子”，仍由洛伦兹主持。这是他最后一次在公众面前露面，几个月后的1928年2月，洛伦兹就去世了，虽然会议的主题是“电子和光子”，但从邀请名单中可以看出，讨论的正题是新量子力学。
早在1926年4月，洛伦兹和科学规划委员会的成员就开始筹备会议日程。但在筹备的几个月中，物理学发展迅猛，为了紧跟形势，他不得不调整想法，并扩充邀请名单。量子理论的奠基人――普朗克、爱因坦、玻尔、德布罗意，以及量子力学的新生代――玻恩、海森伯、泡利、薛定谔、狄拉克等，都将悉数到场。
1927年10月24日，第五届索尔维会议开幕了，爱因斯坦、玻尔及其他物理学界领军人物都来到了布鲁塞尔的生理研究所。
会议由洛伦兹致开幕词，英国物理学家威廉·布拉格（William L.Bragg）做首场讲座。但是当时的玻尔却急切地想知道爱因斯坦对物理学的最新进展做何感想。在他们看来，这些最新进展有利于阐明他早期提出的那些问题。
当天下午，布拉格做了主题为X射线反射的讲座，接着是康普顿的报告，康普顿因为发现以他名字命名的康普顿效应而获得了诺贝尔奖。
第二天下午，德布罗意就量子现象的诠释，介绍了一个新方法，这是一个以“双解”，就是两个解为基础的激进方法。实际上，德布罗意诠释波粒二象性不是从波“或”粒子的角度，而是从波“和”粒子的角度进行的。在这个方法中，真实的单个量子点―粒子的运动路径是由一个真实的波场引导的。双解中的第二个场与薛定谔波动力学中的波函数具有同样的统计意义，也适用于同样的概率解释。
这是一个大胆的解法，有可能会动摇互补性的根基，其实这个解法也许并不奇怪，这个想法没有唤起大家的普遍热情。德布罗意指望着从爱因斯坦那儿获得支持，可是爱因斯坦却一直不出声。
早在几个月前，爱因斯坦就探索过类似的方法。1927年5月5日，他在柏林的普鲁士科学院宣读了一篇题为《薛定谔的波动力学能完全确定还是只在统计学的意义上确定一个系统的运动？》的论文。在论文中，爱因斯坦对理论做的调整基本上是把经典波和粒子的描述综合到一起，其中薛定谔力学中的波函数就充当了导场的角色，引导物理上具有实在性的点粒子。
没过几周，爱因斯坦发现在他的调整中，虽然粒子本身仍是局域性的，但它们依然能从导场中受到非局域的影响。这种影响会涉及他一直设法规避的因果论。爱因斯坦本来说好要在索尔维会议上宣读一篇论文，但在6月17日，他写信给洛伦兹说这个报告我做不了，我不能假装报告没有问题。
第二天上午，玻恩和海森伯一起陈述了经过适度扩展后与薛定谔的波动方程相关联的矩阵力学、基于量子概率的诠释、海森伯的不确定关系，以及对这个理论的大量应用实例。他们宣称量子理论已经完成，不需要再对它基本的物理和数学假设做进一步修订了。
下午，薛定谔做了波动力学的讲座，这也是会议的最后一场正式讲座。薛定谔只讲了原理问题。他详述了波动力学引起争议的几个方面，如波在位形空间的意义，也提出了诠释的不同方法。在接下来的讨论中，薛定谔认为未来的发展可能会产生一个在四维时空层面更为普遍的理论，海森伯马上就对此提出了异议。
由于与另一场科学会议的时间发生冲突，会议的议程在中途被打断了，另外那场会议由巴黎科学院发起的，为了纪念法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳逝世一百周年。洛伦兹就提出了一个折中的建议，将索尔维会议推迟一天。参会人中，想去参加菲涅耳纪念活动的可以自行前往，周五返回布鲁塞尔继续讨论。
周五上午，洛伦兹宣布一般性讨论会议开始。他先发表了自己的一些观点，表达了一位老物理学家对因果论和决定论的执念，之后请玻尔发表演说。玻尔描述了互补性的概念，很多内容主要是讲给爱因斯坦听的，毕竟爱因斯坦是第一次听到他的观点，不过爱因斯坦没有立即做出回应。
不过最终，爱因斯坦还是做了一些评价。爱因斯坦提到了大家熟知的衍射实验，也就是一束电子或光子穿过狭缝的实验。在这项实验中，第二张屏上出现了衍射图案并可以被胶片记录下来。如果量子理论被认为是能够描述单个过程的完整理论，那么适当的波函数就能描述出每个量子粒子的行为，而且正是波函数的属性产生了衍射图案。然而，当波函数投到第二张屏上，瞬间“坍缩”的时候，屏上产生了一个局域点，表明“粒子撞到了这里”。
爱因斯坦反对以这样的方式看待这个过程。他说，假设观察到粒子到达第二张屏的某个位置，那么在观察时，我们不仅知道粒子到达了这个位置，也很明确它没有到达其它位置。不仅如此，在观察到粒子到达所观察到的位置的同时我们就知道它没有到达其它位置。在整张屏的其他位置上，发现粒子的概率在我们观察前恐怕就不存在了。
爱因斯坦认为波函数的坍缩表明存在一种特殊的“超距作用”。这个粒子原本以某种方式分布在空间的一大片区域中，却在瞬间转变为局域的粒子了，测量动作似乎改变了系统远离测量点的位置处的物理状态。爱因斯坦感觉这种超距作用违背了狭义相对论的前提。
爱因斯坦对德布罗意的双解方法表示赞同，他说：“在我看来，一个人若要推翻这种异议，只需依照下列方法：不只是用薛定谔的波动方法来描述这个过程，与此同时，还要定位传播过程中粒子的位置。我认为德布罗意沿这个方向探索是对的。”
然而，还存在一种截然不同的描述。如果波函数代表的概率的大小并非针对单个粒子，而是针对完全相同的很多粒子的集合，情况会怎样呢？根据这个观点，每一个粒子都沿一个确定的局域路径穿过狭缝，到达第二张屏。这种可能的路径有很多，衍射图案也因此反映出大量粒子的统计分布。这个分布与波函数的模方相关，表现出来的是大量粒子的概率而不是单个粒子的概率。
我们无法通过观察单个量子粒子的运动过程来区分这些概率。两种描述都宣称，一个粒子穿过狭缝后，会到达第二张屏的特定位置。在第一种描述中，到达的点在粒子与感光胶片发生作用的瞬间就确定了，到达该点的概率就是波函数的模方。在第二种描述中，到达的点由粒子的实际路径决定，而这些路径又是由波函数的模方给出的统计概率决定的。在两种描述中，我们都只有在探测到大量粒子时，才能看到衍射图案。
玻尔不知道该怎么理解爱因斯坦的评价。在他看来，爱因斯坦试图坚持本质上经典的时空描述，而经典描述已经站不住脚了。符合因果论的时空描述的整个基础，都被量子理论推翻了，因为它是以存在没有干涉的观察为前提的。
对于爱因斯坦的发言，玻尔不知道该怎么理解，但爱因斯坦也并未放弃。在宾馆的餐厅里，讨论仍在继续。爱因斯坦直接质问玻尔量子理论的意义，科学史上最重要的科学辩论之一就这样开场了。在场的每一个人都想要在这种非常时刻弄清物理实在的本质。
爱因斯坦表达了对新量子理论的担忧，每次会议他都会发明设计一个巧妙的实验，让人看到新理论并不成功……在场的泡利和海森伯对此却不是太关注，但是玻尔却谨慎地思考爱因斯坦提出的问题，并且详细地分析这些问题。
此时爱因斯坦决定攻击哥本哈根诠释，试图证明由于哥本哈根诠释的不完备性，这个理论的一个重要基础就是不确定关系的物理意义，这个意义会出现不自洽的情况。论战是以一系列难题的方式开始的，并被爱因斯坦发展为思想实验，实际上，这种实验无法在实验室中进行实际操作。对爱因斯坦觉得构想出在原则上可执行的实验就足够了。
对于爱因斯坦的挑战，玻尔进行了仔细思考。他把爱因斯坦的思想实验又往前推进了一步，画出了爱因斯坦的思想实验所需仪器仿真风格的草图。他的目的不在于试图想象这些实验如何在实际中操作，而是主要想发现爱因斯坦的论述中是否存在缺陷。
爱因斯坦接着又提出了改进的思想实验。他对哥本哈根诠释的重重疑虑丝毫没有减少，这反过来又迫使玻尔捍卫哥本哈根诠释。玻尔成功反击了爱因斯坦的所有质疑。
玻尔牢牢地捍卫了哥本哈根诠释的地位，但爱因斯坦不断质疑带来的压力，让他的观点的基础发生了微妙的变化。玻尔又回到了干扰的概念，也就是无法控制的动量转移，而这也正是他之前批评海森伯的地方。
出席布鲁塞尔会议的物理学家，虽然大多数都认为玻尔的抗辩取得了胜利，但一颗生命力更加旺盛的不同见解的种子已经埋下。在玻尔成功为哥本哈根诠释的自洽性做了辩护后，第五届索尔维会议就这样落下了帷幕，但爱因斯坦依然没有被说服。
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“科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目，每周更新一次，作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动，也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗？》的领读者。对于科普爱好者，此栏目是一个相当大的福利。期待张老师下一次更新！