量子斷代史:瑜亮之爭

費曼在《物理定律的特徵》一書中說過:「我想我可以很確切地說,沒有人了解量子力學。」但是如今人們流傳的,是一句比較符合費曼在人們心目中的頑童形象,但他從未說過的話:「如果你以為你懂量子力學,那麼你就不懂量子力學。」科學史存在著許多這種真真假假,弄假成真的內容,本講次就以量子力學在 1925 年到 1935 年的關鍵十年發展期,為聽眾釐清當時許多針鋒相對的觀點真偽。

講師:葉李華│CASE報科學專欄作家

古典物理經過三百年的發展,在二十世紀初幾近完備,但那時卻有好幾個物理現象,怎麼樣也無法以古典物理加以解釋。物理學家提出了量子論以及相對論,試著就著古典物理的基礎予以補足,然而努力了二十年,成果卻令人不甚滿意。因此物理學家開始主張,應該以既有的物理現象與實驗結果,提出一個嶄新的物理理論。這就是物理學在二十世紀初,從古典物理學的「舊屋修整」,轉移到「原地重建」的背景,而量子力學就是原地重建而成的新屋。

雖然原地重建是當時物理學家的共識,但如何重建卻有意見上的分歧。愛因斯坦、薛丁格、以及德布羅意等人屬於「舊黨」,波耳、海森堡、玻恩、包立等人,則屬於俗稱哥本哈根學派的「新黨」。海森堡在 1925 年「福至心靈」,先後發表了三篇矩陣力學論文,薛丁格大約也在同一時間,連續發表四篇波動力學論文,這些論文各自成為矩陣力學以及波動力學的基石。當時的物理學界對於矩陣十分陌生,但是對於微分方程式卻是熟到不能再熟,因此薛丁格的波動力學很自然地成為主流論述,海森堡的矩陣力學則被邊緣化為非主流。兩派在各自成論的頭一兩年曾有過些許過招,海森堡到薛丁格的演講現場試著「踢館」,波耳甚至邀請薛丁格到他家中長住辯論,不過這些互動並沒有產生決定性的結論。

矩陣力學在 1927 年取得關鍵性的突破,波耳在休假時想出了互補原理,海森堡也趁著老闆波耳休假時想出了俗稱「測不準原理」的不確定性原理,再加上前一年玻恩提出的機率詮釋,這就形成了用量子力學經典的「哥本哈根詮釋」。雖然哥本哈根詮釋對於矩陣力學以及波動力學都適用,不過薛丁格卻非常厭惡哥本哈根詮釋的機率本質,據說他曾經說過「我不喜歡機率詮釋,我真後悔我曾經跟它有過牽扯」,不過這再一次又是人云亦云,真正的版本是波耳親耳聽到他說的:「我們要是得糾結在這該死的量子躍遷上頭的話,那我還真後悔我曾經跟量子論有沾上一點邊。」

原本被歸類為非主流的矩陣力學,在 1927 年的第五屆索爾維會議之後,逐漸取得主客易位的優勢。從這次會議開始,愛因斯坦與波耳針對海森堡的不確定性原理,進行了多次正式與非正式的論戰。這場論戰在愛因斯坦等人於 1935 年,發表簡稱「 EPR 論文」的《能認為量子力學對物理實在的描述是完全的嗎?》這篇論文時達到高峰,波耳甚至立刻放下手邊工作,對這篇論文專心研究,然後發表了一篇題目完全相同的反駁論文。

愛因斯坦和波耳兩人終其一生,都沒有被對方說服。如今我們雖然認為哥本哈根學派對於量子論的詮釋「比較正確」,但愛因斯坦與薛丁格等人也可說敗得十分漂亮,若是沒有他們當年與哥本哈根學派這批「新黨」,進行極為精彩的思辨激盪,量子論的發展肯定無法如今日這般完備。真理愈辯愈明這句話,在許多時候僅僅是一個理想,然而當年這些卓越的物理學家,卻為我們提供了一個經典的示範。

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