量子。12月,普朗克发表他的理论成果,如同打开潘多拉魔盒,释放了“量子”这个沉睡亿万年的幽灵,“量子力学”正式诞生。开尔文口中的一朵乌云,就这么引发了一场极微观的革命。 但是,此时的普朗克,并不能解释“一份一份的”能量,意味着什么。 道破天机者,此时还是个求职无门的小爱同学,5年后,他左手写出“光电效应”,解释了普朗克的困惑,成为量子论的另一开创者;他右手写出“狭义相对论”,赶跑了开尔文的另一朵乌云,掀起了极宏观的革命。(参见《牛顿啊,请原谅我》) 令人意想不到的是,量子思想是如此之离经叛道,普朗克和爱因斯坦,不久后将变成量子论的坚决反对者,革命者本人成了反革命者! 更令人意想不到的是,不认可量子规律,将成为爱因斯坦一生最大的“败局”。

0220世纪科学上最伟大论战
大家应该读过这么一首英国小诗:“一沙一世界,一花一天堂;双手握无限,刹那是永恒。”人们惊叹此诗的想象力。 但如果你回到1913年,28岁的丹麦青年玻尔大概率会告诉你:一沙一世界,这是真的。打个不严谨的比方,如果把原子这枚粒子,放大10的30次方倍,就相当于一个银河系;一个原子,包含了整个宇宙,是一个宇宙的“全息胚”。 这一年,玻尔提出原子构造模型,宣告了量子力学进入“青年时代”,他开创了著名的“哥本哈根学派”,成为全欧洲的学术中心。玻尔凭此成就,成为了量子界早期“三巨头”:普朗克、爱因斯坦、玻尔。

接下来,玻尔与爱因斯坦的大论战,是几个世纪来科学史上最了不起的论战。 1927年10月底,索尔维会议召开。 “索尔维”的名字你可能没听过,但是爱因斯坦、居里夫人、普朗克、玻尔、薛定谔、海森堡这些人你一定听过,他们都来了。下面这张合影,被称为人类历史上智商最高的一张合影,29人中共有17人获得诺贝尔奖。

1927年索尔维会议合影 他们分为三派: 一,哥本哈根一派,由玻尔领衔,支持者波恩、海森堡、泡利等; 二,爱因斯坦一派,支持者有德布罗意、薛定谔等; 三,实验派,暂且略过。 一群“小将们”就前沿物理问题唇枪舌战、你来我往几个回合之后,没有结论,互不买账。于是,讨论很快指向了幕后的真正大佬,爱因斯坦和玻尔的对决。自此往后,这场决斗延续了近30年,若干回合,直至两人先后去世。 来看其中最重要的三次交锋。
01第一次交锋:爱因斯坦攻击“海森堡不确定性原理”。
“不确定性”是量子世界的本质。假设你站在原子核上,把电子当作月亮,此时,你眼中的月亮将同时出现在所有位置,而且,月亮以各种速度在同时运动。在微观世界,“月亮”成了一团云雾,被称为“量子叠加态”。所谓叠加态,就好比你在听交响乐,在一组声波中,同时听到几种不同的乐器声。

图:电子叠加,来源:wikimedia commons
但这种观念,是对“确定性”和“因果律”的颠覆,冲击着爱因斯坦的信条。 一头乱发,掩不住爱因斯坦的自信。现在,他放大招了,用最擅长的招数——“思想实验”。他用弹簧和遮光板设计了一个“单缝实验”,轻松否定了不确定性原理(证明过程略去)。玻尔急忙召集哥本哈根学派的战友,一起吃饭,一起琢磨,准备“三英战吕布”。突然桌子一拍,“有了,爱因斯坦犯了前提错误。” 就是,你怎么能用宏观世界中的弹簧,去攻击微观量子世界的电子呢?爱因斯坦混淆了两个世界不同的运行规律啊。 爱因斯坦先输一回。
02第二次交锋:继续攻击“不确定性原理”。爱因斯坦吸取了上次犯低级错误的教训,重新设计了一个“光盒实验”,论证了同时可以测定光子的速度和质量,不确定性还是错了。 这一招,沉稳老辣。 在回宾馆的路上,爱因斯坦笑容满面,大步流星,而玻尔大惊失色,亦步亦趋,劝说道:“你可不能设计这个实验啊,否则,量子力学可就完蛋了。”(见下图)