對(duì)于玻爾—索末菲原子結(jié)構(gòu)理論,物理學(xué)家認(rèn)為這是一種半經(jīng)典的量子理論,因?yàn)樵谶@一理論中除提出了一些量子假說(shuō)外,仍然在原子結(jié)構(gòu)的描述中保留著電子運(yùn)行軌道等經(jīng)典的概念,而描述微觀客體運(yùn)動(dòng)的基本方程仍然是牛頓力學(xué)的基本方程。這一理論雖提出了某些能夠反映微觀現(xiàn)象的新概念,但又未能完全跳出經(jīng)典理論的框架,故其應(yīng)用范圍是有限的。雖然對(duì)于氫原子來(lái)說(shuō),它在許多方面的應(yīng)用比較成功,對(duì)于最外層電子只有一個(gè)堿金屬原子也近似適用,但不能解釋哪怕只有兩個(gè)外層電子的氦原子的實(shí)驗(yàn)事實(shí),更不用說(shuō)更復(fù)雜的原子了。

20世紀(jì)20年代,可以說(shuō)是原子結(jié)構(gòu)理論的研究最活躍的時(shí)期、物理學(xué)發(fā)展史上的黃金時(shí)代。量子力學(xué)沿著兩條研究路線平行地發(fā)展了起來(lái)。

一條研究路線在哥本哈根和哥廷根進(jìn)行。當(dāng)時(shí),在玻爾、索末菲和馬克斯·玻恩(Max Born)的周?chē)?聚集了“世界上最活躍、最有天賦和最有遠(yuǎn)見(jiàn)的物理學(xué)家”。他們被稱(chēng)為哥本哈根學(xué)派(以玻爾為首)以及哥廷根學(xué)派(以玻恩為首)。由于所持的觀點(diǎn)接近,人們統(tǒng)稱(chēng)為哥本哈根學(xué)派。1925年,泡利(Wolfgaug Pauli)發(fā)現(xiàn)了電子在軌道中運(yùn)行時(shí)相互排斥的不相容原理,宣告了新量子論的開(kāi)始。維納·海森堡(Werner Heisenberg)提出“不確定性原理”(uncertainty principle)。這個(gè)原理說(shuō),粒子位置的不確定性乘上粒子質(zhì)量,再乘以速度的不確定性不能小于一個(gè)確定量——普朗克常數(shù)。并且,這個(gè)極限既不依賴(lài)于測(cè)量粒子位置和速度的方法,也不依賴(lài)于粒子的種類(lèi)。海森堡的“不確定性原理”是量子世界一個(gè)基本的不可回避的性質(zhì)。這表明,人們永遠(yuǎn)不能確切地預(yù)測(cè)出粒子會(huì)在什么地方,或者它會(huì)多快地運(yùn)動(dòng)。人們只可以說(shuō),根據(jù)牛頓力學(xué),它大概會(huì)在某個(gè)位置之中,并且,它或許會(huì)以某種速度在運(yùn)動(dòng)。這就是說(shuō),關(guān)于這些事物,人們只能說(shuō)這樣或那樣的事大概是真的。運(yùn)用深?yuàn)W微妙的數(shù)學(xué),人們對(duì)于物質(zhì)與能量的波和粒子,能夠說(shuō)出某些可能性很大的事,但它們?nèi)匀徊贿^(guò)是概率而已。曾經(jīng)是科學(xué)基礎(chǔ)的確定性,而今一去不復(fù)還了。

海森堡從愛(ài)因斯坦創(chuàng)立相對(duì)論的過(guò)程中得到啟發(fā):物體的絕對(duì)速度和兩個(gè)不同地點(diǎn)所發(fā)生事件的絕對(duì)同時(shí)性等概念是沒(méi)有意義的,因?yàn)檫@些概念在實(shí)際上是不可觀察的。于是海森堡認(rèn)為,既然玻爾原子中具有確定半徑和轉(zhuǎn)動(dòng)周期的電子軌道是不可觀察的,就同樣沒(méi)有意義。人們?cè)趯?shí)驗(yàn)中能觀察到的只是光譜線的頻率和強(qiáng)度(即振幅)。海森堡從對(duì)應(yīng)原理出發(fā),“設(shè)法建立起一個(gè)理論的量子力學(xué)。它與經(jīng)典力學(xué)相類(lèi)似,而在這種量子力學(xué)中,只有可觀察量之間的關(guān)系出現(xiàn)”。他得出了一個(gè)僅僅以可觀察量為基礎(chǔ)的量子力學(xué)方程。后來(lái),玻恩把矩陣形式應(yīng)用到海森堡的理論中;玻恩、喬丹(Pascual Jordan)和海森堡合作,使矩陣形式的量子力學(xué)形成一個(gè)完整的體系。它是以微觀客體的粒子圖像為基礎(chǔ)而建立起來(lái)的新力學(xué)體系。由于它運(yùn)用了矩陣的數(shù)學(xué)形式,故又被稱(chēng)為矩陣力學(xué)。在矩陣力學(xué)中,賦予每一個(gè)物理量(例如粒子的坐標(biāo)、動(dòng)量、能量等)以一個(gè)矩陣。它們的代數(shù)運(yùn)算規(guī)則與經(jīng)典物理量不同,兩個(gè)量的乘積一般不滿(mǎn)足交換律。量子體系中有經(jīng)典對(duì)應(yīng)的各力學(xué)量(矩陣,或算符)之間的關(guān)系(矩陣方程,或算符方程),形式上與經(jīng)典力學(xué)相似,但運(yùn)算規(guī)則不同。在這些不對(duì)應(yīng)關(guān)系中出現(xiàn)了Planck的作用量子。從宏觀的尺度來(lái)看,h是微不足道的?？梢宰C明,當(dāng)h→0時(shí),矩陣力學(xué)中各力學(xué)量之間的關(guān)系將回到經(jīng)典力學(xué)中相應(yīng)的關(guān)系。不久,泡利首先將這種新力學(xué)應(yīng)用于氫光譜,算出了氫原子的定態(tài)能值。其結(jié)果與玻爾的結(jié)果完全相符,從而證實(shí)了新理論的正確性。接著,物理學(xué)家們又用量子力學(xué)處理過(guò)去人們感到困惑的原子問(wèn)題,也都獲得了成功。海森堡等人的工作終于明確地找出了原子微觀結(jié)構(gòu)的那些長(zhǎng)期尋求的自然規(guī)律。這使愛(ài)因斯坦大為高興。他這樣寫(xiě)道:“海森堡下了一個(gè)巨大的量子蛋。”

另一條研究路線在巴黎和蘇黎世平行地進(jìn)行。1924年,路易斯·德布羅意(Louis de Broglie)在愛(ài)因斯坦的光量子論和玻爾的原子論的啟發(fā)之下,仔細(xì)分析了光的微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)的發(fā)展歷史,并注意到幾何光學(xué)與經(jīng)典粒子力學(xué)的相似性。根據(jù)類(lèi)比的方法,他設(shè)想實(shí)物(靜質(zhì)量m≠0)的粒子也可能具有波動(dòng)性,即和光一樣,也具有波動(dòng)—粒子兩重性。這兩方面必有類(lèi)似的關(guān)系相聯(lián)系,而普朗克常數(shù)必定出現(xiàn)在其中。他提出這個(gè)假定的動(dòng)機(jī),一方面是企圖把作為物質(zhì)存在的兩種形式(m≠0實(shí)物粒子和光)的理論統(tǒng)一起來(lái),另一方面是為了更深刻地去理解微觀粒子能量的不連續(xù)性,以克服玻爾理論帶有人為性質(zhì)的缺陷。如果根據(jù)波長(zhǎng)(就光而言)能計(jì)算相關(guān)粒子(光子)的動(dòng)量,那么為什么不能根據(jù)粒子(如電子)的動(dòng)量來(lái)計(jì)算相關(guān)波的波長(zhǎng)呢?于是,他提出了物質(zhì)波的概念。他認(rèn)為,愛(ài)因斯坦提出的那種輻射既像波動(dòng)又像粒子的二重性,同樣適用于一般的物質(zhì)實(shí)體。不僅光是由波引導(dǎo)的粒子構(gòu)成的,而且所有物質(zhì)也是如此構(gòu)成的。電子、質(zhì)子以及各種其他物體,全都是由能量波引導(dǎo)的物質(zhì)粒子組成的。他提出了著名的德布羅意關(guān)系式:

這里,λ為粒子的波長(zhǎng),h為普朗克常數(shù),m0和v分別為粒子的質(zhì)量和速度。德布羅意說(shuō):“簡(jiǎn)言之,我提出了一些也許對(duì)促進(jìn)必要的綜合有貢獻(xiàn)的思想。輻射物理學(xué)在今天被奇怪地分成兩個(gè)領(lǐng)域,而且每個(gè)領(lǐng)域分別為兩種對(duì)立的觀念——粒子觀念和波動(dòng)觀念——統(tǒng)治。我們要做的就是重新將它們統(tǒng)一起來(lái)。”實(shí)驗(yàn)也表明,在量子世界里(微觀世界,在原子層次及其以下層次),粒子和波僅是所有物質(zhì)的兩個(gè)方面。波的行為像粒子,而粒子的行為像波。這樣,德布羅意的工作為量子論的進(jìn)一步發(fā)展開(kāi)辟了一條嶄新的道路。沿著這條道路,最終結(jié)束了玻爾理論中那種不得不依賴(lài)一些經(jīng)典概念的狀態(tài),完全在一種波動(dòng)的圖景上建立起一個(gè)全新的量子力學(xué)體系。愛(ài)因斯坦熱情地稱(chēng)贊德布羅意“已揭開(kāi)了巨大帷幕的一角”。

物質(zhì)波假設(shè)被提出之后,人們自然會(huì)問(wèn):物質(zhì)粒子既然是波,那么為什么人們?cè)谶^(guò)去長(zhǎng)期的實(shí)踐中把它們看成經(jīng)典粒子,并沒(méi)有犯什么錯(cuò)誤?為說(shuō)明這一點(diǎn),追溯一下人類(lèi)對(duì)于光的本性的認(rèn)識(shí)的歷史是有啟發(fā)的。在17世紀(jì),牛頓的光的微粒說(shuō)占統(tǒng)治地位。直到19世紀(jì),由于光的干涉和衍射實(shí)驗(yàn)成功,光的波動(dòng)性才為人們確認(rèn)。只有在光學(xué)儀器的特征長(zhǎng)度與光波長(zhǎng)可相比擬的情況下,干涉和衍射現(xiàn)象才會(huì)顯示出來(lái)。對(duì)比一下光的針孔成像和圓孔衍射實(shí)驗(yàn)的關(guān)系是有趣的。針孔成像可以用光的直線傳播來(lái)說(shuō)明,即用幾何光學(xué)來(lái)處理是恰當(dāng)?shù)?。這是由于“針孔”的半徑(例如0.1 mm)比可見(jiàn)光波長(zhǎng)(4000~7000?)仍然大得多的緣故。如把針孔半徑a不斷縮小,當(dāng)a接近于光波長(zhǎng)時(shí),針孔成像將不復(fù)存在,而代之以圓孔衍射圖像。此時(shí)用幾何光學(xué)來(lái)處理就不恰當(dāng),而必須代之以波動(dòng)光學(xué)。對(duì)于德布羅意的物質(zhì)波,情況也類(lèi)似。由于h是一個(gè)很小的量,從宏觀的尺度來(lái)看,物質(zhì)粒子的波長(zhǎng)一般是非常短的,因而波動(dòng)性未顯示出來(lái);但到了原子世界中,物質(zhì)粒子的波動(dòng)性就會(huì)表現(xiàn)出來(lái)。此時(shí)如仍用經(jīng)典粒子力學(xué)去處理就不恰當(dāng),而必須代之以一種新的波動(dòng)力學(xué)。這個(gè)任務(wù)最終由薛定諤(Erwin Schrodinger)完成。

薛定諤的工作大大地發(fā)展了德布羅意的思想,進(jìn)一步揭示了微觀物體波粒二象性的本性。波動(dòng)力學(xué)就這樣誕生了。薛定諤認(rèn)為,一個(gè)微觀粒子的量子態(tài)用波函數(shù)ψ(r?,t)來(lái)描述。當(dāng)ψ(r?,t)被確定后,粒子的任何一個(gè)力學(xué)量的平均值及其測(cè)量概率的分布就都完全確定了。因此,量子力學(xué)中最核心的問(wèn)題就是要解決波函數(shù)ψ(r?,t)如何隨時(shí)間演化以及在各種具體情況下找出描述體系狀態(tài)的各種可能的波函數(shù)。薛定諤在1926年提出的波動(dòng)方程可以圓滿(mǎn)解決這個(gè)問(wèn)題:

這里,V(r?)是勢(shì)場(chǎng),ψ(r?,t)為粒子的德布羅意波的波函數(shù),而h-=h/ 2π。這就是著名的薛定諤波動(dòng)方程。方程(12)表明了對(duì)應(yīng)于一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)粒子的德布羅意波ψ(r?,t),它在時(shí)間上的變化率與它在空間上變化之間的聯(lián)系。薛定諤方程數(shù)學(xué)形式優(yōu)美,在實(shí)際應(yīng)用中也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能很好地符合。只要假定微觀粒子具有波動(dòng)性,就可以合乎邏輯地得出量子化的微觀體系的狀態(tài),而不必像玻爾理論那樣附加一些量子化假說(shuō),且所用的偏微分方程的方法比矩陣方法更簡(jiǎn)潔,更易于掌握。波動(dòng)方程是量子力學(xué)最基本的方程。它揭示了微觀世界中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。其地位與牛頓方程在經(jīng)典力學(xué)中的地位相當(dāng)。故人們一般采用薛定諤的波動(dòng)力學(xué)。

薛定諤和泡利相互獨(dú)立地證明了矩陣力學(xué)與波動(dòng)力學(xué)等價(jià)的實(shí)質(zhì),在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為兩種力學(xué)體系運(yùn)動(dòng)方程的解等價(jià)。其物理意義表現(xiàn)在這兩種力學(xué)體系對(duì)相同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所預(yù)測(cè)的定量結(jié)果是相同的。對(duì)于同一微觀過(guò)程,卻出現(xiàn)了波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)兩種同樣有效但形式迥異的物理理論。矩陣力學(xué)直接從觀察到的光譜線的分立性入手。其基本概念仍然是粒子性。波動(dòng)力學(xué)強(qiáng)調(diào)的是連續(xù)性的一面,給人一種形象化的圖像。其基本概念是波動(dòng)性。波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)講的原來(lái)是同一回事,現(xiàn)在一般都叫作量子力學(xué)。這兩種出發(fā)點(diǎn)、表述、方法,以及整個(gè)數(shù)學(xué)工具似乎都根本不同的理論居然殊途同歸,都統(tǒng)一起來(lái)了。這好像要到一個(gè)目的地,一個(gè)往這面拐,另一個(gè)往那面拐,但圍繞的都是同一個(gè)地方,最終走到一起了。

由此看來(lái),同一事物的外在表現(xiàn)形式可以是多種多樣的。人們既可以從不同的角度、用不同的方法來(lái)認(rèn)識(shí)這一事物,也可以構(gòu)筑起出發(fā)點(diǎn)和數(shù)學(xué)方法各不相同的理論體系。如果它們都比較完全地反映了這一客觀事物的本質(zhì),那么它們自然會(huì)對(duì)這一事物所表現(xiàn)的各種經(jīng)驗(yàn)事實(shí)得出相同的預(yù)測(cè)結(jié)果。矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)雖是分別從物質(zhì)的粒子圖像和波動(dòng)圖像出發(fā)的,但由于它們的等價(jià)性,說(shuō)明了它們與歷史上的微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)在認(rèn)識(shí)層次上的本質(zhì)區(qū)別。

從方法論來(lái)看,無(wú)論是波動(dòng)力學(xué),還是矩陣力學(xué),都是通過(guò)與經(jīng)典理論進(jìn)行綜合類(lèi)比的方法建立起來(lái)的。這種類(lèi)比涉及各種物理現(xiàn)象之間的類(lèi)比,如將微觀粒子的性質(zhì)與光的性質(zhì)進(jìn)行類(lèi)比;各種學(xué)科理論之間的類(lèi)比,如將質(zhì)點(diǎn)力學(xué)與波動(dòng)光學(xué)之間的關(guān)系進(jìn)行類(lèi)比;數(shù)學(xué)形式之間的類(lèi)比,如狄拉克將經(jīng)典泊松括號(hào)與海森堡的量子力學(xué)量乘積之差的形式進(jìn)行類(lèi)比等。綜合類(lèi)比的方法系統(tǒng)地反映了所研究對(duì)象的本質(zhì)特征和定量的相互關(guān)系。因此,它既是類(lèi)比推理中可靠性最大的一種推理形式,也是在科學(xué)方法中創(chuàng)造性比較大的一種推理形式,在科學(xué)發(fā)展過(guò)程中起著重要的作用。盡管如此,綜合類(lèi)比畢竟還只是一種從特殊到特殊的邏輯推理方法,在進(jìn)行類(lèi)比的兩類(lèi)事物之間并沒(méi)有必然的形式邏輯通道。它需要直覺(jué)的預(yù)感和猜測(cè),但這種猜測(cè)并不是漫無(wú)目的的,而是有一定方向的。那么,是什么指導(dǎo)了建立量子力學(xué)過(guò)程中的方向呢?

從人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然的歷史來(lái)看,人們的科學(xué)認(rèn)識(shí)是一個(gè)不斷發(fā)展的過(guò)程。人們只能在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上去認(rèn)識(shí)未知的新事物?？茖W(xué)通過(guò)不斷地創(chuàng)新而前進(jìn),而創(chuàng)新既必須建立在原有知識(shí)的基礎(chǔ)上,又必須不受原有知識(shí)的束縛,敢于提出新概念,進(jìn)入新領(lǐng)域,引入新方法,建立新體系。量子力學(xué)一方面是一個(gè)與經(jīng)典力學(xué)的基本概念、研究領(lǐng)域完全不同的新理論;另一方面,它又是經(jīng)典力學(xué)數(shù)學(xué)方法的直接繼承和發(fā)展。量子力學(xué)的創(chuàng)始人,無(wú)論是玻爾、玻恩、海森堡、泡利、喬丹、狄拉克,還是薛定諤等人,都有一個(gè)共同的信念,就是認(rèn)為可以把經(jīng)典力學(xué)的數(shù)學(xué)形式移植到新的理論體系中來(lái)。尤其是分析力學(xué)中的哈密頓形式,更可被作為構(gòu)成新理論數(shù)學(xué)形式的基礎(chǔ),而這種信念則是建立在對(duì)應(yīng)原理基礎(chǔ)之上的。對(duì)應(yīng)原理的實(shí)質(zhì)反映了新、舊理論之間的聯(lián)系。新理論的定律以更精確的數(shù)學(xué)形式在更大的適用范圍內(nèi)反映了更多概念之間的關(guān)系,但在原有理論的同名定律仍然適用的范圍內(nèi),新定律應(yīng)當(dāng)反映出與舊定律一樣的規(guī)律性。因此,對(duì)應(yīng)原理一方面表明了舊定律適用的范圍,而另一方面則為構(gòu)建新定律的數(shù)學(xué)形式指明了方向。量子力學(xué)的創(chuàng)始人直到在這種思維方法指導(dǎo)下,才到經(jīng)典力學(xué)中表述得最完善、最精確的哈密頓形式中尋求類(lèi)比的根據(jù),建立起了新的理論體系。應(yīng)該指出,20世紀(jì)量子物理學(xué)所碰到的問(wèn)題是如此復(fù)雜和困難,以致沒(méi)有可能期望一位物理學(xué)家能單獨(dú)把它發(fā)展成一個(gè)完整的理論體系。量子物理學(xué)的建立可被認(rèn)為是物理學(xué)研究工作方式上的轉(zhuǎn)變。“如果說(shuō)它的建立標(biāo)志著物理學(xué)研究工作第一次集體的勝利,那么這一批量子物理學(xué)家中公認(rèn)的領(lǐng)袖就是尼爾斯·玻爾?！?/p>

量子力學(xué)被提出后,許多懸而未決的問(wèn)題很快得以解決,令人心悅誠(chéng)服;但完全弄清這個(gè)理論的物理涵義花了很長(zhǎng)時(shí)間。量子理論的詮釋及內(nèi)部的自洽直到玻恩對(duì)波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)詮釋提出之后才得以解決。至此,量子力學(xué)還是屬于非相對(duì)論性的。狄拉克(P.A.M.Dirac)的電磁場(chǎng)的量子理論對(duì)此做了補(bǔ)充。這樣,涉及非相對(duì)論性的實(shí)物粒子與電磁場(chǎng)作用的問(wèn)題,原則上都可以得到解決。

20世紀(jì)物理學(xué)的突飛猛進(jìn),原子能、半導(dǎo)體、激光、大規(guī)模集成電路等新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,要是沒(méi)有量子力學(xué),那是根本不可能發(fā)展的。量子力學(xué)的數(shù)學(xué)形式雖然被建立起來(lái)了,但是量子力學(xué)的物理解釋引起了激烈爭(zhēng)論。一派以玻爾為代表,即哥本哈根學(xué)派,被稱(chēng)為“正統(tǒng)派”;而另一派以愛(ài)因斯坦為代表,被稱(chēng)為“保守派”。在哥本哈根派看來(lái),微觀世界中,似牛頓力學(xué)的因果關(guān)系不復(fù)存在,微觀粒子的位置和速度不可能同時(shí)確定。確定了它的位置,速度就不確定了;確定了它的速度,位置又不確定了。這就是量子力學(xué)中德國(guó)科學(xué)家維納·海森堡著名的“不確定性原理”?！安淮_定性原理”告訴我們,為了預(yù)言一個(gè)粒子未來(lái)的位置和速度,人們必須能準(zhǔn)確地測(cè)量它現(xiàn)在的位置和速度。顯而易見(jiàn)的辦法是將光照到這粒子上,一部分光波被此粒子散射開(kāi)來(lái),由此指明它的位置。然而,人們不可能將粒子的位置確定到比光的兩個(gè)波峰之間更小的程度,所以必須用短波長(zhǎng)的光來(lái)測(cè)量粒子的位置。但是,我們由普朗克的量子假設(shè)知道,人們不能用任意少的光的數(shù)量,至少要用一個(gè)光量子。這量子會(huì)擾動(dòng)這粒子,并以一種不能預(yù)見(jiàn)的方式改變粒子的速度。而且,位置測(cè)量得越準(zhǔn)確,所需的波長(zhǎng)就越短,單獨(dú)量子的能量就越大。這樣,粒子就被擾動(dòng)得越厲害。換言之,你對(duì)粒子的位置測(cè)量得越準(zhǔn)確,你對(duì)速度的測(cè)量就越不準(zhǔn)確;反之亦然。不確定性原理意味著我們永遠(yuǎn)也不能精確確定像電子之類(lèi)物質(zhì)的全部特征。我們所能做的只是給予電子一個(gè)概率。這一概率是根據(jù)量子力學(xué)方程式準(zhǔn)確地確定的。例如,你可確定在一定時(shí)間電子在一定地方的概率有多大。更進(jìn)一步說(shuō),量子世界的不確定性、或然性意味著如果我們以相同的方式對(duì)待兩個(gè)相同的波粒(如分別與另一個(gè)波粒碰撞),那么它們的反應(yīng)不一定相同。也就是說(shuō),實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在量子的層次上也是不確定的,只能用概率來(lái)預(yù)言。量子力學(xué)服從的是統(tǒng)計(jì)性規(guī)律。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)統(tǒng)計(jì)理論。海森堡的不確定性原理是量子世界的一個(gè)基本的不可回避的性質(zhì)。這一原理將量子理論更向前推進(jìn)一步。它把決定性的因果律也修正了。在某一時(shí)刻,我們并不能完全確定一個(gè)物理系統(tǒng)的情況,而且系統(tǒng)以后的情況也只能或然地推測(cè),不能必然地決定。

這樣,量子力學(xué)為科學(xué)引進(jìn)了不可避免的非預(yù)見(jiàn)性或偶然性。一個(gè)完全確定的力學(xué)方程,而被確定的量卻是一個(gè)概率幅。這真是匪夷所思!正是在這一點(diǎn)上愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)不滿(mǎn)意。盡管愛(ài)因斯坦在發(fā)展這些觀念上起了很大的作用,但他強(qiáng)烈地反對(duì)以玻爾為代表的哥本哈根派的這種說(shuō)法。他提出了一個(gè)又一個(gè)思想實(shí)驗(yàn),企圖證明量子論的不完備性和荒謬性,愛(ài)因斯坦說(shuō):“我相信有可能建立一個(gè)理論。它能給出實(shí)在的完備描寫(xiě)。它的定律確立事物本身之間的關(guān)系,而不僅僅是它們的概率之間的關(guān)系……量子力學(xué)給人的印象是深刻的,但是一個(gè)內(nèi)部的聲音告訴我,這還不是真正的理論。這個(gè)理論給出了許多結(jié)果,但是并沒(méi)有使我們離上帝的秘密更近一些。無(wú)論如何,我確信他不玩骰子?！睈?ài)因斯坦認(rèn)為,量子學(xué)說(shuō)是一個(gè)成功的但不完全的學(xué)說(shuō)。量子力學(xué)的理論闡釋就好像是“上帝”在擲骰子一樣碰運(yùn)氣。把一顆骰子擲下去,是出幺,還是出二、三、四、五、六,完全碰運(yùn)氣。愛(ài)因斯坦相信,一切事物的運(yùn)動(dòng),都是前有因,后有果。結(jié)果總是有原因的。電子這樣的微觀粒子也應(yīng)該服從因果規(guī)律。量子力學(xué)說(shuō)它服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律,是因?yàn)榱孔恿W(xué)還沒(méi)有發(fā)展完備。他向未來(lái)的物理學(xué)家提出一項(xiàng)任務(wù):要找出量子力學(xué)概率背后的嚴(yán)格定律。量子力學(xué)的信奉者把愛(ài)因斯坦的重要前提拋棄了,認(rèn)為新物理學(xué)(量子力學(xué))不需要原因和結(jié)果。他們證明物理世界自發(fā)地偶然發(fā)生的事件是統(tǒng)計(jì)傾向的結(jié)果;概率決定于事先已定的條件,從來(lái)沒(méi)有偶然性不起作用的時(shí)候。對(duì)愛(ài)因斯坦的話,玻爾回應(yīng)說(shuō):“阿爾伯特,別吩咐上帝他該做什么?！?/p>

1935年,愛(ài)因斯坦(Einstein)與波多斯基(Podolsky)、羅森(Rosen)合作寫(xiě)了一篇很著名的短文,提出了“EPR悖論”。EPR分別代表這三位作者。愛(ài)因斯坦指出,照目前的量子力學(xué)所言,兩個(gè)粒子A和B在過(guò)去曾經(jīng)互相作用過(guò)。即使后來(lái)不再互相作用,它們之間仍然有關(guān)聯(lián)。因此,直接對(duì)A測(cè)量,與對(duì)B測(cè)量后再測(cè)量A的結(jié)果不同。這種現(xiàn)象違反直覺(jué),所以愛(ài)因斯坦要求:如果接受量子力學(xué)的結(jié)論是錯(cuò)誤的,或至少承認(rèn)它不完整,那就必須把它補(bǔ)完整,使違反直覺(jué)的現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生;若是接受量子力學(xué)的結(jié)論是正確的,我們就得承認(rèn)曾經(jīng)互相作用過(guò)的兩物體,不管它們相隔多遠(yuǎn),再也不會(huì)完全分離。也就是說(shuō),在光速都來(lái)不及跑完的時(shí)間內(nèi),它們互相知道對(duì)方的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

EPR悖論的作者們當(dāng)然偏好第一種可能,但他們的選擇錯(cuò)了?？墒?他們的質(zhì)疑指出了量子物理的重要特征。從那時(shí)起,物理學(xué)家努力地證明EPR悖論之正誤。1982年,科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備終于達(dá)到可以做EPR實(shí)驗(yàn)的水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來(lái)后震驚全世界。被愛(ài)因斯坦稱(chēng)為荒謬的結(jié)果居然成了現(xiàn)實(shí)。不論在實(shí)驗(yàn)上或是理論上,量子力學(xué)沒(méi)有錯(cuò),也并非不完整。只有第二種可能性,即兩粒子經(jīng)過(guò)互相作用后,若測(cè)量?jī)闪Ｗ又械囊粋€(gè),結(jié)果竟然會(huì)隨另一粒子的測(cè)量結(jié)果而改變,不論它們離得多遠(yuǎn)。兩個(gè)曾經(jīng)互相作用過(guò)的粒子再也不會(huì)完全分離,這個(gè)現(xiàn)象違反直覺(jué),結(jié)論也很詭異,但卻是事實(shí)。

如果愛(ài)因斯坦等人沒(méi)有提出量子世界的“不可分離性”,那么物理學(xué)界可能還得等好一陣子才會(huì)發(fā)現(xiàn)它。然而“不可分離”是量子理論最驚人的特征之一。這讓我們對(duì)物體本質(zhì)重新檢討。在所處的宏觀世界中,我們已經(jīng)很習(xí)慣物體互相分離,以致很難想象微觀世界的長(zhǎng)相廝守。愛(ài)因斯坦在量子力學(xué)方面的大部分遺產(chǎn)是提出新問(wèn)題,強(qiáng)迫后繼學(xué)者去思考、去深入探討,發(fā)現(xiàn)量子世界更多“荒謬”的性質(zhì)。

愛(ài)因斯坦與玻爾的爭(zhēng)論達(dá)30年之久,誰(shuí)也沒(méi)有說(shuō)服誰(shuí),但量子力學(xué)的哥本哈根學(xué)派解釋已被大多數(shù)物理學(xué)家奉為正統(tǒng)的解釋,因?yàn)樗蛯?shí)驗(yàn)符合得很完美,已成為一個(gè)極其成功的理論,并成為幾乎所有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。物理科學(xué)未讓量子力學(xué)進(jìn)入的唯一領(lǐng)域是引力和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。愛(ài)因斯坦忠實(shí)于自己的信念。他堅(jiān)信,物理學(xué)應(yīng)該對(duì)客觀實(shí)在狀況做出和觀察者無(wú)關(guān)的描述。這場(chǎng)爭(zhēng)論不僅促進(jìn)了現(xiàn)代物理學(xué)理論的進(jìn)一步發(fā)展,而且對(duì)20世紀(jì)的科學(xué)和哲學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。