爱华网哥本哈根学派与量子力学之争
周冬
一、 产生的条件和背景
1、产生背景：19世纪80年代斯托列托夫、赫兹等科学家发现光电效应，之后很多科学家对此进行研究，1902年勒纳德等人较全面的总结了光电效应研究的现象。经典理论无法说明光电效应的实验事实，光辐射打出电子的速度与入射光频率成正比，与光的强度无关；如果入射光的频率小于某一截止频率，无论入射光有多强，照射的时间有多长都不会发生光电效应。爱因斯坦从普朗克的能量量子化理论中看到了新理论的曙光，在深人研究能量量子化的基础上于1905年提出光量子理论，不仅能量的辐射和吸收是不连续的，电磁波本身也是量子化的，并且指出照射到金属表面上的光，就是光量子流，频率为了的光，就是能量为hv的光量子流。
爱因斯坦的光量子理论不仅从理论上圆满解释了光电效应现象，而且发展了普朗克的量子论。尽管爱因斯坦可以被认为是量子理论的先驱，然而当量子力学最终建立起来之后，他却成了最不遗余力地质疑和批判量子力学的人，他的主要论战对手就是量子力学之父———玻尔和他的哥本哈根学派。
2、产生条件：1921年，玻尔倡议并建立了哥本哈根大学理论物理学研究所，并领导这一世界性的科学中心40年，形成著名的哥本哈根学派，在量子力学的发展中起着独特的作用，取得了许多重大的成果，并培养出大批优秀的学者。
哥本哈根学派产生从外部来看是根源于物理学发展历史性变化，光电效应、普朗克的能量量子化假说，以及爱因斯坦的光量子理论提出，为哥本哈根学派发展提供难得历史机遇，为他们在量子力学领域发展提供平台；此外，哥本哈根大学本身也是现代科学的发源地，那里拥有良好学术环境。玻尔少年时经常随父亲参加哥本哈根大学科学家的家庭学术性聚会，受到了许多潜移默化的科学黛陶。
从内部来看，哥本哈根学派产生与玻尔本身的有密切关系。玻尔1885年10月7日生于哥本哈根。7岁入小学后成绩一贯优异，敢于公开指出教材或教师讲课中的差错，体现他特有批判精神。他说过：”我是像一个哲学家和一个工匠那样地对物理学发生兴趣的。”玻尔本身的学识也是哥本哈根学派产生重要因素，1912年9月，他受聘在哥本哈根大学任 教。他利用业余时间奋发努力，形成了自己的理论。1913年7月起，他以《论原子构造和分子构造》为题，连续三次在英国之哲学杂志上发表论文，后来被称为“伟大的三部曲”。玻尔待人诚恳，善于激发年轻科学家们的科学热情。1961年访苏时，他的学生之一朗道问他有什么秘诀把许多才华横溢的青年团结在自己周围？他说：“没有什么秘诀，只是我不怕在他们面前显露我的愚蠢。”
二、 发生、发展的过程
1、学派发生与主要成员。上世纪20年代，玻尔的学识、造诣和人格魅力，成了年轻一代物理学家心仪的导师；哥本哈根成为青年物理学家向往的圣地。“到哥本哈根去，向玻尔教授学习”成为时尚口号。于是，整个欧洲物理学界的年经人涌向了哥本哈根。在哥本哈根大学理论物理研究所聚集了一大批青年精英，在玻尔教授的教导和激励下，十几个世界一流的物理学家在20－30岁左右就脱颖而出了。玻恩、海森堡、约尔丹、泡利、罗森菲耳德以及前苏联的福克和朗道等人，这些诺贝尔奖金获得者都出自玻尔的门下。还有一大批物理学家也是吸吮着哥本哈根学派的乳汁而成长的，如狄拉克、德布罗依、德拜、考斯特等人。
海森伯、泡利和狄拉克等是哥本哈根学派的重要成员。在很短的时间内，哥本哈根推动了量子力学快速发展。海森伯给出了描述微观粒子运动的矩阵力学方程；当几乎是同时地奥地利物理学家薛定谔给出了波动力学方程而引起对微观粒子的物理本质的争论时，与海森伯同在理论物理研究所学习的泡利发现了矩阵力学和波动力学的等价性；随后，英国年轻物理学家狄拉克在哥本哈根发展了量子力学的更为普遍的理论—变换理论；海森伯接着又提出了测不准原理，玻尔则在此基础了更具有哲学意义的互补原理。海森伯、泡利、狄拉克都先后获得了诺贝尔物理学奖。
2、互补原理之争。海森堡的测不准原理，人们不可能同时准确地测定微观粒子的位置和速度，也不能同时准确地测定其能量和时间。哥本哈根学派认为量子力学已经不再遵循因果必然规律，这与不相信上帝会掷骰子的爱因斯坦的信仰是极不相容的。
玻尔指出，微观粒子现象的任何观测，都必然使得粒子和测量仪器间存在原则上不可控制的相互作用，因而我们不可能使微观粒子的波动性和粒子性在同一实验中表现出来。这样，粒子性和波动性，位置和速度，以及能量和时间这些概念是互相排斥的，但在描述同一微观现象时，这些互斥的概念又是互相补充，缺一不可的。这就是所谓的”互补原理”。也就是说，量子力学的规律具有统计性质。并且，在量子物理中应当抛弃因果性和决定论的概念，而代之以互补原理。
爱因斯坦则声明他并不接受测不准原理，互补原理更是他所反对的抛弃严格的因果性和决定论的概念，坚持基本理论不应当是统计性的，在几率解释的后面应当有更深一层的关系，人类应当能够揭示微观世界的因果性联系。
3、测不准原理之争。对于海森堡的测不准原理，爱因斯坦写道：“我确信，通过你的关于量子条件的公式表述，你已作出了决定性的进展;我同样确信，海森珀-玻恩的路线已经走向歧途。”1930年10月，在布鲁塞尔召开了第六届索尔维会议。爱因斯坦，提出了著名的光匣(lightbox)实验，爱因斯坦设计这个实验，试图否证能量对时间的测不准关系。设有一个不透明的盒子用弹簧挂在支架上，盒子里有一个可以控制一个快门的计时装置。正对着快门的盒面上开有一孔。盒上与开孔相对的一面有一指针，指向支架杆上的刻度，通过这个指针则可测定整个盒子的重量。现在设想当快门从时刻t1到时刻t2打开的瞬间，有一个光子从盒子中跑出。按质能关系式E=mc2，光子发射前后盒子的质量变化可以精确测定。这个质量差就是发射的光子的能量。同时根据计时装置又可准确地确定光子的发射时刻和达到远处屏上的时间。这样，时间和能量都可以很准确地测定，这就意味着推翻了时间与能量不能同时测定的测不准原理。
针对爱因斯坦的“光匣”理想实验，玻尔用爱因斯坦广义相对论来反对爱因斯坦的理想实验。根据广义相对论，在光子发射的前后，光匣有一个重量的变化，使光匣在引力方向上有一段距离为△q的移动，这种移动就会改变时钟的快慢。所以当用尺子测弹簧秤读数时，时间就不能精确测量了。如要精确测量时间，就要排除引力场，但这样一来，光匣的重量就测不出来了，质量的变化也就测不出来了。广义相对论表明，△E和△t不能同时精确测定。也就是说，爱因斯坦的广义相对论证明了测不准原理。爱因斯坦被他自己一手建造的广义相对论打败。玻尔这时有理由说:”规定上帝怎样行动不是我们的工作”。玻尔运用广义相对论，掉头来反击它的创立者，从而维护了量子理论。
3、量子力学的完备性之争。1935年5月，爱因斯坦与波多尔斯基和罗森提出了以他们三人姓名头一个字母命名的著名的“EPR悖论”。文章首先提出了理论的完备性和实在性的定义，并建立了一种“非此即彼”的选择关系，第一种可能性是量子力学理论是完备的，那么不可对易算子所表征的物理量不同时为实在(以X表示);第二种可能是，量子力学理论是不完备的，则不可对易算子所表征的物理量可以同时为实在(以Y表示)。其次，文章证明，如果波函数所提供的描述是完备的，那么所涉及的不可对易量必定是实在的(以非X表示)。结合根据前面所建立的”非此即彼”的抉择关系，不难看出，逻辑推导的结论是波函数所提供的描述是不完备的。逻辑上的论证即是:要么X是对的，要么Y是对的。X是错的所以Y是对的。
玻尔经发现，EPR悖论中所提出的定义及观点，必须最后诉诸“测定”，就是这个“测定”，为玻尔提供了反击的突破口。1935年10月，玻尔以相同的标题公开回答了上述诘难。他指出，爱因斯坦等提出的判据是不能令人满意的。“对系统不作任何干扰”，这根本就不可能，因为在量子力学中，两个粒子才构成一个系统，它们被同一个波函数所联系，我们作用于其中一个粒子，它就能作用于整个体系。这就是玻尔对量子力学中整体性的新理解。也就是说，既然EPR悖论的作者在实在性的定义中谈论了测量，那么就不应该把测量操作与被测对象割裂开来讨论，而必须把现象同获取现象的条件以及器械作为一个整体进行描述。“排除一切干扰”的前提，对实验的要求是含糊的。
三、 产生的影响和历史意义
哥本哈根学派诞生与发展为揭示与把握基础研究所遵循的普适性的规律提供了一个经典的范例。著名物理学史专家芬•奥西乌认为哥本哈根学派成功实质是“哥本哈根精神”的胜利。哥本哈根学派所特有的这种“哥本哈根精神”是物理学家最宝贵的财富，也正是世界各国从事基础研究崇尚的学风与创新文化的凝聚与真实体现。结合奥西乌观点，我们认为“哥本哈根精神”大致作了归纳：
第一，哥本哈根精神就是在自由的学术气氛之中，去探究物理学最为前沿、最为迫切的问题。玻尔与最有前途的、年轻的、尚未成熟的访问学者或学生之间以一种紧张而热烈地、自由讨论的方式进行的，它充分体现了哥本哈根学派的“科学精神”与“民主精神”；
第二，“统一与和谐”是哥本哈根学派的哲学理念，也是培育哥本哈根精神茁壮成长的沃土，而“开放性”则是哥本哈根精神保持青春活力的动力源泉，并把这种科学上的”开放性”扩展到政治领域的“开放性”，它又体现了哥本哈根学派对人类前途关怀的浓重的人文主义色彩。
第三，“哥本哈根精神”是一种集体合作典范。科学根植于对话之中。常有这样的情况，即很难说清谁对问题的解决贡献大。这是一种集体的天才，或者说是工作中的集体创造性，是某种超乎每个物理学家个人才能之上的东西。
参考文献
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