文章与日志

理想是顽固的
－爱因斯坦：“这是思想范畴里的音乐性的最高形式。”

普朗克在20世纪的第一年，抱着一个名叫“量子”的新生儿站到了世人的眼前。不过，如果仔细地观看普朗克的表情，会察觉更多的是茫然。因为他是在考虑一个非常具体的经典问题时，作为一种权宜的手段而被迫引入量子概念的。所以普朗克很小心地避开了“量子”给人提出的尖锐问题：如果在单个原子的辐射发光行为当中，能量确实是一份一份出现的，那将会在多大程度上和当时作为物理学基础的力学和电动力学产生直接的冲突？

世界从此有了光子
5年之后的1905年，供职于瑞士专利局属于最低级别的三级技术员爱因斯坦，无畏地接受了量子新生儿的挑衅眼光。在3月份撰写的一篇名为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的文章开头，他循着一条直截了当的途径，抓住了问题的实质：物质是由一个个的原子组成的，按照经典的电动力学，一个个的原子运动所激发出来的电磁波被认为是连续变化的，这里面的矛盾一直没有被深究，而爱因斯坦则干脆提出，电磁波本身也可以看成是一份一份的，这就是所谓的光量子（光子）。
光子的概念使得我们立刻理解了一切关于物质发射光和吸收光、以及一些辐射场的现象，而那些现象曾经是当我们把光只认为是电磁场的波动时所绝对无法理解的！
然而在当时的物理学家看来，光子的概念是非常难以接受的，因为如果要问光（电磁波）究竟是个什么样的东西时，回答说既是电磁场的一种波动形式，又是可以一份一份单个出现的粒子形式，那简直是过于艰难的事情。以至于最早被迫提出量子概念的普朗克直到1913年还表示反对这个概念，甚至爱因斯坦自己在1911年的时候也还近乎无奈地感叹到：
“至于这些光量子是否确实存在过，我不再过问了。我也不再去设法解释它们，因为，我已经明白，我的脑子是无法透彻理解它们的。”
再过了7年之后，他从无奈进一步彻底地承认光量子概念的真实性：
“对于辐射中的量子的实在性，我不再存疑，尽管至今只有我一个人有这种信念。”
而只是承认某种东西是真实存在的，不意味着一定知道那是一个什么东西，就好像一件无头刑事案件，案件肯定是真实发生过的事情，但我们还不知道其真相。过了近50年之后，爱因斯坦在1951年给他的好友的信中直率地说了一句很有意思的话：
“整整五十年的自觉思考没有使我更接近于解答“光量子是什么”这个问题。的确，现在每个人都相信，他懂得它，其实他是在欺骗自己。”
这是怎么回事呢？在最初十多年里面似乎还只是爱因斯坦一个人在孤身捍卫量子概念的真实性，并终身保持对量子真相的困惑，而后来历史的演变似乎有了戏剧性的情节，就是几乎是一夜之间人们纷纷都承认了量子的真实性，甚至到后来越来越多的人都认为自己理解了量子的真相，而唯独爱因斯坦，这位在量子观念的早期历史当中最重要的捍卫者和推动者，反而拒绝认可其他人所公认的真相！

从弄潮到观潮
爱因斯坦应该可以说是20世纪物理学历史里面最伟大的人物了，然而他的一生总是跟主流的物理学显得有些格格不入：在他迅猛地发展光量子概念的时候，还没有几个人是他的战友；当一群年轻人在“魔法师”玻尔的领导下构建崭新的量子力学新世界、并迅速占据了主流物理学位置的时候，他却至死都对后生们所给出的“什么是光子”的答案坚持强烈的不满。这大概也是20世纪最饶有趣味的一段历史：
－1905年爱因斯坦明确提出了光子的概念，牛刀小试就圆满地解释了曾经令人百思不得其解的光电现象。
－1906年爱因斯坦紧接着就把量子的概念扩充到组成物质的粒子的振动上面，由此就轻巧地解决了19世纪末最大的疑难问题之一：低温时物体的比热和其温度的关系问题。
－随着1911年卢瑟福提出原子的有核模型，以及在1913年玻尔天才地把量子观念引入对原子光谱的理解，爱因斯坦敏锐地在1916年运用玻尔的理论，直接推导出了普朗克最初被迫引入量子概念的辐射公式，从而替普朗克解除了最大的心病，即为什么在物体的发光辐射过程当中，我们不得不使用量子的观念才能正确地理解其现象。令人惊奇的是，在这篇世纪初的文章当中，爱因斯坦顺便从理论上提出了50年后才问世的激光的产生原理。
－1924年量子力学的奠基人之一德布罗意刚提出物质波的假说，爱因斯坦就直接把这个假说拿来用于研究气体的统计问题，从而建立了后来成为量子统计方法的基础之一的玻色-爱因斯坦量子统计理论。而基于这个理论，后来人们通过实验验证了电子波，从而证实了微观粒子确实同时具有波的性质和粒子的性质，而这种所谓微观粒子的波粒二象性，正是随后诞生的量子力学最基础的概念之一。
由此我们可以知道爱因斯坦确实是量子力学正式诞生之前，对于量子观念最重要的先行者。不过从1925年开始，追随玻尔的年轻人们，诸如海森堡、波恩、泡利等人发动了一场物理学历史上最为波澜壮阔的理论狂飙，建立起了最具叛逆精神的量子力学，并通过那一套令人眼花缭乱的新鲜理论，迅速地解决了微观世界的种种疑难问题。这时，爱因斯坦却几乎是完全地退出了量子理论发展的前沿阵地。
原因很简单，爱因斯坦一方面先知似地认识到了量子观念的真实性，另一方面却完全不相信以玻尔为首所做出的对于量子实质的解释，因为一种似乎破坏了因果律和客观实在性的量子力学完全不符合他自己对于物理理论的理想。当海森堡-波恩-约尔丹的量子力学系统理论成型之后，爱因斯坦一开始就表达了强烈的不信任：
“最近的理论所提供的最有趣的东西可说是海森堡-波恩-约尔丹关于量子态的理论。真是一种魔术般的计算，在那里，无穷行列式代替了笛卡尔坐标。极其巧妙，极其复杂，足以保护它不至被人们查出其谬误。”
实际上，爱因斯坦自己一直都在追求对于量子的透彻理解，在1924年他给朋友的一封信里面写道：
“在科学方面，我几乎不停息地研究量子问题，我真诚地相信，我走的路是正确的。”

绝顶争锋
显然，爱因斯坦和主流的被称为“哥本哈根诠释”的量子力学思想具有深刻的分歧，以至于这位独立创建了20世纪物理学2大基础之一的相对论，同时也直接催生另外一个基础-量子力学的最伟大的物理学家，居然那么坚定地反对深刻改变了20世纪人类生活的量子力学的基础，那么他和玻尔的分歧究竟在哪里呢？
在1949年，晚年的爱因斯坦写到：
“我对统计性质的量子理论的反感不是针对它的定量的内容，而是针对人们现在认为这样处理物理学基础在本质上已是最后方式的这种信仰。”
可以说，爱因斯坦把量子力学目前的形式看成是一个半成品，固然这个理论总是正确的，但还不符合爱因斯坦对于属于物理学基础的最终理论的理想。为此，从1920年在柏林爱因斯坦和玻尔这两个20世纪物理学伟人第一次会面开始，他们两人就基于各自的物理学理想，进行了长达数十年的交流和争论，这种争论在1927年的比利时索尔威物理学会议上达到一个高峰。在会下他们俩连续多日进行了激烈的交锋，爱因斯坦运用他在创立相对论时就已经表露无遗的进行理想实验的天才，不断地提出新的实验设计，试图揭示量子力学的内在不完备，而玻尔同样天才地进行反驳，迫使爱因斯坦不得不寻求对实验的改进。对于这场伟人之间的碰撞，同时在场的物理学家艾伦菲斯特作了生动的描述：
“这就像一场棋赛一样。爱因斯坦永远有新的例子。…玻尔在哲学的云雾以外不断地寻求工具来粉碎一个又一个的例子。爱因斯坦像一个盒子里的弹簧人那样，每天早晨都精神抖擞地跳出来…”
他们俩的这种基于理想实验的交锋可以说一直贯穿了他们此后的一生。玻尔在他去世的前一天，还在他家里的黑板上画了一个“爱因斯坦盒”，即爱因斯坦设计的一个质疑量子力学基础的实验装置；而爱因斯坦则自始至终地认为量子理论“根本无法描述实在状态，而只是描述了实在状态的一种不完备的知识”。经过长期的全盘思虑，他在1935年和另外两个年轻人玻道尔斯基、罗森合作，直接了当地用“物理实在的量子力学描述能不能被认为是完备的？”作为标题发表文章，对量子力学进行终极拷问，并提出一个他认为最终可以说明量子力学的不完备性的理想实验。他甚至在1952年的晚年还不无俏皮地责备“正统的量子理论家根本否认实在状态的概念，于是，人们就落到了善良的贝克莱主教的境地中去了。”
然而，伟大的爱因斯坦唯独在这点上似乎最终是错了，因为随着21世纪的到来，纳米技术和激光技术获得飞速发展，当初爱因斯坦和玻尔所设计的那些理想实验都逐步地可以真实实现了，而实验的结果对于爱因斯坦来说都有些残忍，就是玻尔对了，而爱因斯坦错了。
爱因斯坦到底错在哪里呢？为什么能够成功地把他引导到相对论的伟大胜利的关于物理实在的信仰，却把他引导到了对于新生量子力学的顽固反感呢？答案也许得需要我们到胜利者那里去寻找，因此我们接下来需要介绍的是量子力学之父-尼尔斯.玻尔。