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  • 哥本哈根研究所100岁了 量子世界依旧迷雾重重

      哥本哈根研究所100岁了 量子世界依旧迷雾重重

      玻尔创造的“哥本哈根精神”是无法复制的。这是一种在切磋中提高,在争论中完善,平等无拘束地讨论和紧密合作的学术气氛,就是要在辩论中,推动量子力学的发展,这非常符合玻尔的个性与主张。

      ◎本报记者 吴长锋

      1900年,为了解决黑体辐射疑难,德国物理学家普朗克提出了“能量子”模型。彼时,爱因斯坦21岁,刚从大学毕业;玻尔才刚15岁,可能还在中学学习。  

      1905年,爱因斯坦提出“光量子”假说,通过把“本应该是一种电磁波”的光想象成一个个光微粒,成功解释了光电效应。紧随其后,玻尔在1913年提出了量子化的原子结构,成功解释了氢原子的能级结构和光谱,获得了当年的诺贝尔奖。

      1921年,玻尔拒绝了恩师卢瑟福的工作邀请,决定创建哥本哈根大学理论物理研究所,继续深入研究量子力学。研究所一成立,玻尔的人格魅力很快就像磁场一样,吸引了一大批杰出的青年物理学家,海森堡、泡利、玻恩、狄拉克等量子力学大咖都出自这个研究所,形成了举世闻名的“哥本哈根学派”。除了玻尔外,香格里拉注册,这个研究所出了9位诺贝尔物理学奖获得者,盛况空前。到现在,100年过去,哥本哈根仍是物理学家的“朝拜圣地”。

      “上帝掷骰子吗?”

      哥本哈根学派在创立之初就开始从哲学层面思考量子问题。光和电子时而像波,时而像粒子的“波粒二象性”到底意味着什么?其本源是什么?为什么我们每次只能看到它是波或者是粒子的“一面”?最终,量子力学的“哥本哈根诠释”浮出水面:

      ——一个量子系统的量子态可以用波函数来完全地表述。波函数代表一个观察者对于量子系统所知道的全部信息,量子系统的描述是概率性的。

      ——在量子系统里,一个粒子的位置和动量无法同时被确定。

      ——物质具有波粒二象性,一个实验可以展示出物质的粒子行为或波动行为。但不能同时展示出两种行为。

      ——测量仪器是经典仪器,只能测量经典性质,如位置、动量等。

      ——大尺度宏观系统的量子物理行为应该近似于经典行为。

      哥本哈根学派对量子力学的“概率诠释”,其核心观点还有“测量塌缩”。一个量子尺度的物体,它当前的状态其实是几种可能状态的“概率叠加”;在未被测量之前,我们完全无法预测物体真正的状态,这是一种真真正正的随机性;一旦启动了测量,物体就会“塌缩”成一种可能状态,仿佛它一直就是那种状态一样。

      虽然“概率诠释”类似于“骰子实验”,但量子力学更纯粹。骰子的随机性其实是伪随机,“出千高手”完全可以掌控掷骰子的结果。但哥本哈根学派认为,回到微观的量子世界,再荒谬至极的事实,都可能在量子世界中出现。

      于是,科学史上那段著名的论战拉开了序幕。以爱因斯坦为首的经典派对哥本哈根学派发起了猛烈的攻击,每次针锋相对都闪耀着智慧甚至是艺术的火花。

      爱因斯坦:上帝不掷骰子!

      玻尔:请不要告诉上帝应该怎么做!

      这段经典的对话,便是这场论战的开端与往后争论的核心。

      与爱因斯坦同一阵线的薛定谔,更是为了反驳“概率诠释”学说而举了一个他本人认为“荒诞至极”的例子:把一只猫和一套通过放射性元素驱动的毒药释放系统一起放在盒子里,在打开盒子观察前,猫同时处于“活着”和“被毒死了”双重状态的叠加态中,这便是鼎鼎大名的“薛定谔的猫”。

      值得一提的是,薛定谔肯定没有想到,自己提出的这个用来反驳哥本哈根学说,认为其荒谬、与现实格格不入的实验,被不少人误认为是“概率诠释”的一个经典论点。

      一般认为,在科学上一个人没取得的成就,在未来肯定会有另一个人代替他成功。但是玻尔创造的“哥本哈根精神”却是无法复制的。这是一种在切磋中提高,在争论中完善,平等无拘束地讨论和紧密合作的学术气氛,就是要在辩论中,推动量子力学的发展,这非常符合玻尔的个性与主张。

      如今,距离那场世纪论战已经过去了许多年,物理学界中最受普遍认可的哥本哈根学派“概率诠释”学说也依然面对许多争议。

      尽管玻尔与爱因斯坦终生都在争辩,却丝毫不影响两人的友谊。无论谁离开了谁,这条量子银河都会变得黯淡无光。

      “没有人真正理解量子力学”

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