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90年前的秋天,第六次索尔维会议召开,玻尔和爱因斯坦又一次为量子力学的完备性问题争执起来。这不是偶然,早在三年前的第五次索尔维会议上,哥本哈根派和经典物理派之间就有过正面交锋。

当年,相对论之父爱因斯坦、有学界教皇之称的玻尔,还有提出物质波的德布罗意、提出薛定谔方程的薛定谔、发现测不准原理的海森堡、发现不相容原理的泡利……物理界的诸神齐聚一堂。作为两派的代表人物,玻尔和爱因斯坦碰撞起来互不相让。

“这就像在下一盘棋,爱因斯坦始终能拿出新的例证。”埃伦费斯特这样向他的学生们描述随后发生在玻尔和爱因斯坦之间的争论……埃伦费斯特信手拈来几个恰当的隐喻:“玻尔不断从哲学的烟雾中寻找工具,来粉碎对方一个接一个的例证;而爱因斯坦就像玩偶盒里的弹簧小人,每天早上都会精神饱满地从盒子里蹦起来。啊,这场激战真是千金难买!”

——《纠缠:量子力学趣史》

两次索尔维会议留下了一连串精彩的论战,还有不止一张珍贵的合照。争论仍在继续。然而仅仅三年后,纳粹便正式掌权。在当时,德国是当之无愧的科学中心,参与索尔维会议的诸神有不少都和德国学术圈关系密切。量子力学的发展会面临怎样的命运?与会的科学家们又经历了什么?

爱因斯坦:去新大陆再续前缘

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1931年12月,在驶往帕萨迪纳的轮船上,爱因斯坦盯着飞翔的海鸥。他在旅行日记中写道:“今天,我做了一个重要的决定,放弃我在柏林的职位,从此浪迹余生,海鸥伴轮船而飞,他们就是我的新同事。” ——《纠缠:量子力学趣史》

在纳粹正式掌权之前,早已成为普鲁士科学院院士的爱因斯坦便去了美国。

事实证明,他的选择是正确的。1933年,“希特勒冲锋队”闯进了爱因斯坦在德国的家,如果他没有离开,后果不堪设想。爱因斯坦在写给玻恩的信中说,“在德国,我已经被升格为一个‘邪恶的怪物’,我所有的财产都被夺走了。但无论如何,这些财产终究不会永远属于我,我只能用这种想法来安慰自己了。”

当然,爱因斯坦不会一直沉浸在沮丧中,他也没有“浪迹余生”,而是加入了刚成立不久的普林斯顿高等研究所。他依然思维活跃,而且爱朋友,不仅和老朋友们恢复了通信,还结交了不少年轻人,其中包括哲学鬼才哥德尔、为量子力学下一个阶段做出贡献的玻姆,还有他的新搭档波多尔斯基和罗森。

1935年,《物理评论》发表了爱因斯坦、波多尔斯基和罗森三人的作品,这篇以《量子力学对物理实在的描述可否被视为完备的?》为题的文章提出了著名的EPR佯谬。这意味着他们再一次对哥本哈根学派发起了挑战。

薛定谔:那只著名的小猫是这样诞生的……

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在颁奖典礼之后的宴会上,薛定谔这样结束了他的祝酒词:“我希望不久以后能再次回来……不是来到一个彩旗飘飘的庆典大厅。在我的行李箱里,也不会有这么多正装,而是肩上扛着两个长长的滑雪板,背上背着帆布包。” ——《纠缠:量子力学趣史》

1933年,海森堡来到斯德哥尔摩,领取推迟颁发的1932年诺贝尔物理学奖。薛定谔也来到了这里,和狄拉克一起领取当年的诺贝尔物理学奖。不久前,他刚刚在牛津大学落脚。薛定谔本人并非犹太裔,但出于道义上的考虑,他仍然决定离开柏林大学。

当然,在1933年的典礼上见过老朋友之后,薛定谔也在留意学界进展。1935年,EPR佯谬发表,科学家们的信件在欧洲和美国之间穿梭。整整一个夏天,在爱因斯坦与薛定谔之间、薛定谔与泡利之间、泡利与海森堡之间、海森堡与玻尔之间,关于EPR主题的来往信件数不胜数,有时一天甚至多达三封。

EPR佯谬让薛定谔思绪万千。很快,他撰写了一篇探讨EPR佯谬的文章,发表在了《自然科学》上。事实上,这是薛定谔一生中最有名(或者应该说“最出圈”)的一篇论文。

那只人人都认识的小猫,那只关在盒子里又死又活的小猫,正是薛定谔在这篇论文中为“叠加”所举的例子。薛定谔以这只小猫为“神兽”,为爱因斯坦一派助阵。

海森堡:无解的哥本哈根之谜

海森堡相信,“政治上的变革会独立发生,丝毫不会破坏哥廷根的物理学。”他认为,“他们”能够认可这种二重性,就像量子物理里的二象性一样。并且,“随着时间的推移,丑恶将从美丽中自行分离”,政治将不再压迫物理学。 ——《纠缠:量子力学趣史》

海森堡留在了德国,希望在特殊时期为祖国保留科学的命脉。然而,事态的发展似乎超出了他的预期——纳粹政府要求海森堡主持德国的核武器研发工作。

1941年,德军已经占领丹麦,但身为哥本哈根大学教授的玻尔还未离开。就在这一年,海森堡来到丹麦,和玻尔夫妇进行了一次会谈。没有人知道这次会谈的内容,这就是“哥本哈根之谜”。

有人说,海森堡已经知晓了纳粹的惨无人道,他向玻尔保证,自己会拖延进度,不让德国研制出核武器。也有人说,当时的海森堡已经彻底迷失,他希望玻尔投靠德国,和他一起为纳粹效力。真相已经沉入历史的长河,但我们知道,玻尔在两年后去了瑞士,而德国也没有抢先研制出核武器。

我们无法追问海森堡是否后悔留在德国,但在EPR佯谬发表的那段时间里,海森堡在写给母亲的信中有这样几句意味深长的话:“在这个科学的小领域里,有着对未来意义重大的价值,我对此非常满足了。这是在这个完全混乱的世界里,我唯一清楚该去做的事情。外面的世界真的丑陋不堪,而这项工作是如此美妙。”

泡利:不寻常的瑞士岁月

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一系列打击使他终日意志消沉,沉醉不醒。通过“了解心理问题”和“精神的特有作用”,他终于康复了。正如在1934年10月,泡利在写信给他的朋友兼助手拉尔夫·克罗尼格告知这件事的时候,他写下了“你喜获新生的故友:泡利”这样的签名。 ——《纠缠:量子力学趣史》

曾经在哥廷根大学和汉堡大学工作过的泡利,在两次索尔维会议之间那几年去了瑞士,加入了位于苏黎世的联邦工学院。在很多同行忙着逃离乱局时,泡利恰巧待在一个尚且平静的地方,暂时避开了种种麻烦。

但人生的麻烦还是找上了泡利,母亲自杀、父亲迅速再婚、新婚妻子私奔,一系列的打击让他崩溃不已。不过,泡利结交了一位同事,这位专门研究心理学的朋友帮助他走出了人生低谷,他就是大名鼎鼎的卡尔·荣格。

1934年,泡利和弗兰卡·伯特伦喜结连理。虽然泡利不相容原理并不是在这里提出的,但苏黎世的岁月对泡利个人而言有着不寻常的意义。

1935年,已经“喜获新生”的泡利从瑞士出发,前往美国。他将成为普林斯顿高等研究所的学者,并且在十年后领取属于自己的诺贝尔物理学奖。就在他获奖的第二年,泡利又回到了苏黎世的联邦工学院,从此一直以瑞士为家,直到去世。

玻恩:诺贝尔奖虽迟但到

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火车驶出他们位于意大利的避难所塞尔瓦时,已是寒冷的凌晨三点钟。玻恩望着窗外的繁星,他的儿子古斯塔夫蜷缩在一个座位上睡着了,特里希那毛茸茸的黑褐色脑袋靠在玻恩的膝盖上。随着糟糕的1933年一步一步地接近尾声,他感觉自己像是周围唯一清醒的灵魂。他的脑海中浮现出黄色佗罗花绽放的幻影。“我现在才知道,在塞尔瓦附近散步和爬山是多么令人愉快,…… ——《纠缠:量子力学趣史》

1933年,为了躲避迫害,犹太裔科学家玻恩带着家人先去了风景如画的塞尔瓦小镇,随后从塞尔瓦前往英国。

在此之前,哥廷根大学是玻恩的学术家园。他在这里获得了博士学位,又做了十几年教授,提出了波函数的概率解释,为薛定谔方程的落地提供了关键一环。这恰恰关联着索尔维会议两派争执的核心。但现在局势严峻,纵然不舍,他也必须离开了。

在同时期的一众科学家中,玻恩似乎是格外低调的一位,他的挚友爱因斯坦、老师希尔伯特,还有曾经的助手海森堡和泡利仿佛都比他更有名气。离开德国之后,玻恩先后入职剑桥大学和爱丁堡大学,继续他的学术生涯。1953年,在退休后,玻恩才回到德国,在哥廷根附近的小镇巴德派尔蓬特养老。

1954年,玻恩终于凭借他提出的波函数概率解释获得了诺贝尔物理学奖。此时,距离这项成果发表已经过去了将近三十年。

玻尔:可敬的对手,真诚的朋友

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在哥本哈根,玻尔读到(介绍EPR佯谬的)这篇文章的第二天早上,他兴致勃勃地跨进研究室的大门,他边用一只手挥舞着边哼唱:“波多尔斯基!O波多尔斯基,Io波多尔斯基,Sio波多尔斯基,Asio波多尔斯基,Basio波多尔斯基!” ——《纠缠:量子力学趣史》

就在EPR佯谬发表之后,玻尔也在《物理评论》上发表了一篇文章,题目还是《量子力学对物理实在的描述可否被视为完备的?》,这是他对爱因斯坦一方的又一次回应。

爱因斯坦从德国去了美国,而玻尔从丹麦去了瑞典,他们之间的争论似乎无休无止。关于量子力学,两位伟大的头脑一生都没能说服对方。

他们是老对手,也是老朋友。1948年,玻尔为爱因斯坦的70寿辰写了一篇致贺词,他用这篇致辞回顾了两人之间的论战。对于他所认定的真理,玻尔不会让步,但他的字句间充满了对这位同行的欣赏,以及对这段友谊的珍视。

1962年,玻尔与世长辞。他在黑板上留下了两幅草图,记录着前一天晚上思考的问题。第一幅图看上去像一个螺旋楼梯——黎曼曲面——那是玻尔最喜欢的语言模糊性的隐喻。而第二幅草图,几乎还粉笔线条中振荡着,那是爱因斯坦(在第六次索尔维会议上提出的)光子箱。

结语

除他们之外,还有从英国来到德国,很快又回到英国的狄拉克,在法国熬过了德军占领期的德布罗意,还有留在德国,不幸失去了儿子的普朗克,以及在1933年和儿子一同辞世的埃伦费斯特……等人们逐渐走出战争的阴影时,20世纪已经过去一半,诸神已经衰老,索尔维会议上的争论依然没有结论。

好在新的一代已经成长起来。1952年,爱因斯坦已经年过七旬,玻尔也进入了人生最后一个十年,而1928年出生的约翰·贝尔还是个二十来岁的学生,他将在十几年后提出一个重要的不等式,这将成为终结爱玻两派之争的关键。

当然,量子力学的传奇不会就此落幕,贝尔也并非续写传奇的唯一新人,他还有很多同伴。他们的故事都在这本书里——《纠缠:量子力学趣史》

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一部属于量子力学的“小说” 物理学巨匠们是故事的主角 Louisa Gilder | 著 李树锋 ,阮冬 | 译

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作者以二十世纪最伟大的物理学家们的论文、信件和回忆录为基础,通过历史调查和想象力,让他们用自己的语言“对话”。这些或真实或略带虚构的故事情节既人性化又戏剧化。

我们将看到玻尔和爱因斯坦的思想碰撞,海森堡和保利决定追寻奥秘,薛定谔和德布罗意如何为后人铺平了道路,贝尔的研究为何值得重新思考,费曼以其独特的雄辩力向同时代的人发起挑战……这些伟大人物的碰撞正如同量子“纠缠”,在时间与空间中勾勒出他们真实的生活状态,他们对科学研究的热情,以及他们的伟大思想。

本书以独特的叙事风格描绘了量子物理学从理论初建到量子计算机探索这百年的发展史,故事中生动的对话、细节使得这段历史顿时变得鲜活起来。

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