爱因斯坦逝世 67 周年：量子是他的恶魔

luyuanhong

爱因斯坦逝世 67 周年：量子是他的恶魔

好玩的数学 2022-04-18 07:00

67 年前的今天，1955 年 4 月 18 日，享誉世界的物理学家，阿尔伯特·爱因斯坦去世，享年 76 岁。

爱因斯坦是公认 20 世纪最伟大的科学家。

他提出的相对论永远改变了我们对这个世界的认识。

狭义相对论统一了能量和质量的关系，提出了著名的质能方程 E=mc^2 ，促使了核能的使用；而我们目前对于宇宙所有的知识其实都是起源于广义相对论，引力的本质、宇宙大爆炸、暗物质......


阿尔伯特·爱因斯坦

如今人们说到爱因斯坦，言必称相对论，但他在另一个领域做出的贡献，却被大大忽略了，那就是量子力学。

爱因斯坦亲口承认：“我思考量子问题的时间百倍于思考广义相对论的时间。”

爱因斯坦是量子理论的主要创建者之一，在分子运动论和量子统计理论等方面也做出了重大贡献。他的高瞻远瞩和敏锐洞见，指引了一代代物理学家前进的方向：

爱因斯坦提出了解释光电效应的方程。罗伯特·密立根验证了这个方程而获得了 1923 年诺贝尔物理学奖；

爱因斯坦洞见了布朗运动的真相。让·皮兰用一系列精细的实验证明了爱因斯坦的说法，皮兰也因此荣获 1926 年诺贝尔奖；

爱因斯坦提出了光量子假说。阿瑟·康普顿关于电子散射 X 射线光子发现，即“康普顿效应”，无可辩驳地证实了爱因斯坦的光量子假说，康普顿因此获得 1927 年诺贝尔物理学奖；

爱因斯坦第一个预言了光子的“波粒二象性”。德布罗意将这个特性拓展到了所有粒子，并因此获得 1929 年诺贝尔物理学奖；

爱因斯坦在听了海森堡关于矩阵力学的报告后，精确指出了他理论中的不足，促使了海森堡进一步深入，最终提出了量子理论史上最伟大、影响最深远的成就之一，不确定性原理；

在量子力学的内涵上，爱因斯坦与玻尔展开了持续几十年的论战，倒逼玻尔不断完善哥本哈根诠释；

爱因斯坦与玻尔关于现实本质之争，是贝尔定理背后的灵感所在。而对贝尔不等式的检验，或直接或间接地催生了包括量子密码学、量子信息理论和量子计算在内的诸多新科研领域......


爱因斯坦和玻尔

“谈起相对论，他超然物外；谈起量子理论，他充满热情，”在普林斯顿结识爱因斯坦的亚伯拉罕·佩斯回忆说，“量子就是他的恶魔。”

就让我们从时间的尺度一起来见证，爱因斯坦在量子力学中留下的足迹。

1900 年

10 月

普朗克在德国物理学会于柏林召开的一次会议上公布其黑体辐射定律。

12 月 14 日

普朗克在德国物理学会的一次演讲中展示了黑体辐射定律的推导过程，其中引入了能量量子。


马克斯·普朗克

1905 - 1906 年

1905 年 6 月

爱因斯坦以光量子假说和光电效应为主题的论文在《物理年鉴》上发表。

7 月

爱因斯坦解释布朗运动的论文在《物理年鉴》上发表。

9 月

爱因斯坦的论文《论运动物体的电动力学》在《物理年鉴》上发表。这篇论文概述了狭义相对论的主要内容。

坐上光束，与光一道旅行，会是怎样的场景？正是为了回答这个问题，爱因斯坦才踏上了长达 10 余年的相对论研究之路。

1906 年 12 月

爱因斯坦阐述比热容量子理论的论文在《物理年鉴》上发表。


1912 年的爱因斯坦

1907 年

5 月

卢瑟福拿到了曼彻斯特大学教授职位，并且就任该校物理学系主任。

上班第一天，卢瑟福过于活泼，一步跳三级台阶，把同事们吓坏了。但是很快，卢瑟福的冲天干劲和务实且明确的研究方法深深地吸引了他的新同事们。他有 11 位学生日后获得诺贝尔奖。


欧内斯特·卢瑟福

1911 年

3 月

卢瑟福在英国曼彻斯特的一次会议上宣布发现原子核。

10 月30 日 - 11 月 4 日

第一次索尔维会议在布鲁塞尔召开。受邀人员包括爱因斯坦、普朗克、玛丽·居里和卢瑟福。

索尔维是一位化学家，也是一位成功的商人。他革命性地改变了碳酸钠的生产方式，从而赚了一大笔钱。他作为“金主爸爸”，组织起欧洲的精英物理学家们开会讨论量子力学的问题，这就是索尔维会议。


第一次索尔维会议

1912 年

3 月

玻尔从剑桥大学转去了曼彻斯特大学的卢瑟福实验室。卢瑟福关心并耐心指导学生研究，给玻尔留下了很深的印象，他日后模仿卢瑟福实验室的管理模式，建立起了哥本哈根大学理论物理研究所。

玻尔是卢瑟福实验室唯一的一个理论物理学家，其他人都是实验物理学家。卢瑟福一向不屑于理论物理学家，“他们是在用自己的符号玩游戏，”卢瑟福曾说，“而我们证明了大自然坚实的真正事实。”不过，卢瑟福一见到当时 26 岁的丹麦人玻尔就很喜欢。“玻尔不一样，”他会这么说，“他是个足球运动员！”


尼尔斯·玻尔

1913 年

2 月

玻尔第一次听说巴耳末氢原子谱线公式，这是他提出原子量子模型的关键线索。

7 月

普朗克和瓦尔特·能斯特前往苏黎世延揽爱因斯坦去柏林就职，后者答应了。

爱因斯坦犹豫要不要接受普朗克和能斯特的邀请，他对他们说，回来的时候，他会带着玫瑰迎接他们，玫瑰的颜色代表了他的最终答复。如果是红色，就意味着爱因斯坦决定去柏林；如果是白色，就意味着他还是想留在苏黎世。于是，普朗克和能斯特下火车的时候就知道他们迎回了爱因斯坦，因为后者拿着一枝红玫瑰。

9 月

玻尔在英国科学促进会于伯明翰举办的一次会议上提出了关于量子原子模型的新理论。

1915 - 1916 年

1915 年 11 月

爱因斯坦完成广义相对论。

1916 年 7 月

爱因斯坦的工作重点重回量子理论，并且发现了原子中光子的自发辐射和受激发射现象。

1919 年

11 月

普朗克获得 1918 年诺贝尔物理学奖。

11 月

英国皇家学会和皇家天文学会于伦敦召开的一次联合会议上正式宣布，两支英国远征队在 5 月日食期间通过测量证实了爱因斯坦广义相对论的一个核心预言，也就是引力对光线的弯折效应。一夜之间，爱因斯坦成了全球闻名的人物。

1920 年

4 月

玻尔造访柏林，并且第一次与普朗克和爱因斯坦会面。

“我人生中很少能碰到像你这样一出现就让我感到开心的人，”玻尔回到哥本哈根后，爱因斯坦在给他的信中如此写道，“我现在正在研究你的大作，就好像你那带着稚气的欢快脸庞出现在我面前，向我微笑着解释，这令我感到高兴。”

玻尔对爱因斯坦同样欣赏和爱戴，他努力地通过自己那蹩脚的德语表达与爱因斯坦会面对他的意义有多么重要：“能和您见面交谈，是我人生中最棒的经历之一。”

1922 年

11 月

爱因斯坦获得 1921 年诺贝尔物理学奖，玻尔获得 1922 年诺贝尔物理学奖。

玻尔拿到 1922 年诺贝尔物理学奖的那天，爱因斯坦也拿到了被推迟了一年的 1921 年诺贝尔物理学奖，这令玻尔很是高兴和宽慰。“我知道这个奖项对我来说实在是太重了，这份殊荣我承受不起，”玻尔写信给爱因斯坦说，“但我想说，能在您对我研究领域的基础性贡献以及卢瑟福和普朗克他们的贡献得到承认后获得这份殊荣，我真的很幸运。”

爱因斯坦回信说：“我可以毫不夸张地说，（你的来信）带给我的快乐和获得诺贝尔奖一样多。你担心自己会先于我获奖，我觉得这很迷人——这是典型的玻尔式想法。”

1923 年

5 月

阿瑟·康普顿关于电子散射 X 射线光子发现的全面报告发表，这就“康普顿效应”。康普顿效应无可辩驳地证实了爱因斯坦在 1905 年提出的光量子假说。

9 月

法国贵族德布罗意拓展了波粒二象性的引用范围，认为其同样适用于一切物质，从而将电子和波联系在了一起。


路易·维克多·皮埃尔·雷蒙德·德布罗意，来自法国最尊贵的贵族家庭之一

1925 年

1 月

泡利发现不相容原理。他因此获得 1945 年的诺贝尔物理学奖。

此时泡利年仅 25 岁。泡利 21 岁时的论文就被爱因斯坦评价为“成熟、宏伟的思想作品”。说话颇为尖刻的他后来被戏称为“上帝之怒”，但也被誉为“可与爱因斯坦媲美的天才”。

9 月

饱受重度花粉症困扰的海森堡前往北海黑尔戈兰岛疗养。在此期间，他向矩阵力学迈出了至关重要的第一步——矩阵力学是海森堡版本的量子力学理论，受到普遍支持。

此时海森堡年仅 24 岁，打造了理论量子力学的基石，矩阵力学。泡利这个早就因尖酸刻薄而恶名远扬的人，三年前就评价海森堡是一个“未来某天会极大程度推动科学发展”的“不世出天才”。


玻尔、海森堡和泡利

12 月

在阿尔卑斯滑雪胜地阿罗萨与情人秘密幽会时，薛定谔构建了他最知名的成就：波动方程。

薛定谔的桃色新闻不断，薛定谔夫妇都有婚外情，最夸张的是，他和妻子在牛津安家的时候，竟然还有一名情妇也和他们住在同一屋檐下。

“在我们这样的世俗之人看来，他的私生活似乎比较奇怪。”玻恩在回忆他时这样写道。


埃尔温·薛定谔

1926 年

9 月

狄拉克建立了变换理论，从而证明薛定谔的波动力学和海森堡的矩阵力学都只是一种更为一般的量子力学形式的特殊情形。


保罗·狄拉克

10 月

薛定谔造访哥本哈根。薛定谔、玻尔和海森堡没能在波动力学或矩阵力学的物理诠释问题上达成任何形式的共识。

薛定谔提出的波动力学和海森堡的矩阵力学虽然被证明在数学上是等价的，但是薛定谔与海森堡、玻尔在物理解释上秉持着不同的观点，势同水火。

薛定谔被玻尔请到哥本哈根，到了才发现对方为自己准备了狂风骤雨般的争论。按照海森堡的说法，争论“从一大早就开始，一直持续到深夜”。薛定谔肠子都悔青了，痛苦表示早知如此不如不发表理论了，终于病倒了，玻尔的夫人竭尽全力照料着这位客人，可玻尔本人一坐到薛定谔的床边还是会继续和他争论。

不过，虽然双方在物理学理论方面有诸多分歧，但玻尔和海森堡（尤其是海森堡）对待薛定谔的态度“和善、友好、关怀、细心得令人动容”参与讨论的所有人都“无比和蔼、热情，绝不是故作姿态”


从左到右：海森堡的母亲、薛定谔的妻子、狄拉克的母亲、狄拉克、海森堡、薛定谔

1927 年

2 月

海森堡发现不确定性原理。玻尔提醒了他忽略的一个点，不确定性其实是波粒二象性的产物。

9 月

玻尔把包括玻恩对薛定谔波函数的概率性诠释在内的所有元素都黏合在一起，让它们构成了从新物理学角度理解量子力学的基础。后来，物理学家们把这些观点的总和称为“哥本哈根诠释”。

10 月

在布鲁塞尔召开的第五次索尔维会议上，爱因斯坦与玻尔关于量子力学基础和现实本质的争论正式拉开帷幕。

受邀参加第五次索尔维会议的 29 名科学家中，最终有 17 人获得了诺贝尔奖。

爱因斯坦和玻尔的思想火花在这次大会上深度碰撞，由此引出的各种问题直到今天仍令无数杰出物理学家和哲学家痴迷：现实的本质是什么？在我们眼中，什么样的现实描述方法才算是有意义？

更广为流传的是这个俏皮的交锋：

爱因斯坦反驳不确定性原理时宣称：“上帝不掷骰子！”

玻尔反驳：“爱因斯坦，不要告诉上帝怎么做。”


第五次索尔维会议

1930 年

10 月

在布鲁塞尔召开的第六次索尔维会议上，爱因斯坦与玻尔展开了第二回合较量。玻尔成功驳斥了爱因斯坦为挑战哥本哈根诠释自洽性而提出的“光盒”思想实验。

爱因斯坦利用质能方程巧妙地设计了一个光盒实验，目标就是给予不确定性原理和哥本哈根诠释致命一击。事先毫无准备的玻尔震惊又担忧，他一夜未眠，仔细检查了爱因斯坦思想实验的每个方面，终于被他发现了破绽。最终，玻尔用爱因斯坦自己的相对论，击败了爱因斯坦的光盒实验。

玻尔 77 岁因心脏病去世，书房黑板上留下的最后笔记，是玻尔前一天晚上再一次思考爱因斯坦的光盒实验时留下的印迹。


第六次索尔维会议期间，爱因斯坦和玻尔并肩行走

1933 年

10 月

爱因斯坦就任于普林斯顿研究院。

11 月

海森堡拿到了推迟颁布的 1932 年诺贝尔奖，同时，狄拉克和薛定谔分享了 1933 年诺贝尔物理学奖。

安静孤僻的狄拉克得知自己获得诺贝尔奖的消息后，第一反应是拒绝，因为他不想引起公众的注意。但卢瑟福劝他说，如果拒绝只会获得更大的公众关注度。无奈之下，狄拉克只好接受了这个奖项。

1935 年

5 月

爱因斯坦、波多尔斯基和罗森（EPR）撰写的论文《量子力学对物理实在的描述是否可视作完备？》在《物理学评论》上发表。

10 月

玻尔对 EPR 论文的回应在《物理学评论》上发表。

11 - 12 月

薛定谔题为《量子力学现状》的论文分三部分发表。这篇论文中诞生了著名的“薛定谔的猫”的假设。

按照薛定谔的说法以及我们的常识，猫要么死了，要么还活着，具体结果取决于原子究竟是否发生了衰变。然而，按照玻尔及其支持者的说法，只有观测之后，我们才能知晓猫究竟是死是活，所以决定猫生死的只有这种观测行为。在展开观测之前，这只猫都处于量子炼狱之中，即处于一种既非生也非死的叠加态。

1948 年

2 月

玻尔以访问教授的身份抵达普林斯顿高等研究院，并在此工作到 6 月。在普林斯顿期间，为庆祝爱因斯坦的 70 岁生日，玻尔撰写了一篇解释他与爱因斯坦在 1927 年、1930 年索尔维会议上争论量子力学诠释问题的论文，并收录在纪念论文集中。

一天，玻尔正在向助手派斯口述庆祝爱因斯坦 70 岁生日的论文初稿内容。一时不知接下去要说什么的玻尔站在那里，看向窗外，嘴里不时地念叨着爱因斯坦的名字。就在此时，爱因斯坦蹑手蹑脚地溜进了办公室。爱因斯坦的医生禁止他购买烟草，但从来没有说过不能偷烟草。派斯后来这样讲述接下来的事情：“爱因斯坦一直踮着脚尖，径直朝玻尔的烟草罐走来——烟草罐就在我面前的这张桌上。对此一无所知的玻尔则站在窗边，嘴里咕哝着‘爱因斯坦……爱因斯坦……’。接着，玻尔突然干脆地叫了一声‘爱因斯坦’，同时转过身来。他俩就这样面对面地站在那儿，就好像玻尔把爱因斯坦召唤了出来一样。玻尔当时好一会儿说不出话来……过了一会儿，随着爱因斯坦主动坦白了他的计划，沉默被打破了，我们所有人都哈哈大笑。”

1951 年

2 月

戴维·玻姆出版著作《量子理论》，其中阐述了一个新颖、简化版的 EPR 思想实验。

1952 年

1 月

玻姆发表了两篇论文。论文中，他做到了冯·诺伊曼认为不可能的事：提出了一种隐变量量子力学诠释。

1955 年

4 月

爱因斯坦在普林斯顿去世，享年 76 岁。

虽然爱因斯坦从未在与玻尔的交锋中给予后者致命一击，但他持久的挑战发人深省。正是他的努力鼓励了像玻姆、贝尔和埃弗里特这样的物理学家，在几乎所有人都接受哥本哈根诠释且其他量子力学诠释理论寥寥无几之时，探索并重新评估了玻尔的这个理论。爱因斯坦与玻尔关于现实本质之争，正是贝尔定理背后的灵感所在。而对贝尔不等式的检验，或直接或间接地催生了包括量子密码学、量子信息理论和量子计算在内的诸多新科研领域。


1954 年，爱因斯坦坐在普林斯顿家中

1957 年

7 月

休·埃弗里特三世提出量子力学的“相对状态”形式，即人们后来熟知的多世界诠释，“平行世界”。

1964 年

11 月

约翰·贝尔发表了他的发现：任何预测与量子力学一致的隐变量理论都必然是非定域性的。论文中的“贝尔不等式”推导出了纠缠粒子对量子自旋相关度的限制范围。任何定域性隐变量理论都必须满足贝尔不等式。

贝尔定理让爱因斯坦倡导的定域性现实得以和玻尔的哥本哈根诠释一同接受检验。贝尔将爱因斯坦与玻尔之争带入了实验哲学这个全新的角斗场。如果贝尔不等式成立，那么爱因斯坦关于量子力学不完备的论点是正确的。如果贝尔不等式被证否，那么玻尔将成为最后的胜利者。贝尔定理的出现，意味着再也没有思想实验的事了，爱因斯坦与玻尔之争已经进入了实验室阶段。


约翰·斯图尔特·贝尔

1972 年

4 月

加州大学伯克利分校的约翰·克劳泽和斯图尔特·弗里德曼率先检验了贝尔不等式，并报告称该不等式不成立。不过，这个实验的准确性尚存疑。

1982 年

巴黎第十一大学光学技术应用研究所的阿兰·阿斯佩及其合作者们用当时技术条件限制下最严格的实验检验了贝尔不等式。他们的实验结果证明了，贝尔不等式不成立。但是实验仍旧存在某些没有填补的漏洞。

2003 年

10 月

安东尼·莱格特以非定域现实为基础推导出了一个类贝尔不等式，即莱格特不等式。

2007 年

4 月

马库斯·阿斯佩尔梅耶和安东·蔡林格领导的一支奥地利-波兰团队宣布，他们在测量了此前未经检测的纠缠光子对相关性之后，得到的结果证明了莱格特不等式不成立。这个实验只是排除了部分或许可行的非定域性隐变量理论。

20?? 年  

量子引力理论？万物理论？超越量子的理论？



本文整理自《量子传：究竟什么才是现实》

《量子传》描绘出一副生动的 20 世界物理学家群像，展现出科学巨人们的发现与争论，友谊与竞争。

作者的叙写绝对公正、不偏不倚，但读者却很难不从中感受到爱因斯坦的伟大与魅力。伟人的光芒在真实中愈发闪耀。

量子科学家们都是有趣的灵魂，从《量子传》不仅感受他们或诙谐或严谨的谈吐，更会受到他们对真理孜孜以求的感召。他们就像一颗颗明亮的星星，照耀人类前行的道路。

追随伟人的思想足迹，在孩子的心灵里埋下求知的种子，启发对物理学的兴趣。

领略环环相扣、跌宕起伏的 20 世纪量子物理学发展史，感受科学巨人们的友情与师生情谊。

现代物理学核心问题入门指南，提供看待量子理论之争的全新视角。

codefarmet

帅气的科学家！👍