首发于秩序之源

量子物理史话(六)

第六章 殊途同归


当年轻气盛的海森堡在哥廷根披荆斩棘的时候,埃尔文·薛定谔(Erwin Schrodinger)已经是瑞士苏黎世大学的一位有名望的教授。当然,相比海森堡来说,薛定谔只能算是大器晚成。这位出生于维也纳的奥地利人并没有海森堡那么好的运气,在一个充满了顶尖精英人物的环境里求学,而几次在战争中的服役也阻碍了他的学术研究。但不管怎样,薛定谔的物理天才仍然得到了很好的展现,他在光学、电磁学、气体分子运动理论、固体比热和晶体的动力学方面都作出过突出的贡献,这一切使得苏黎世大学于1921年提供给他一份合同,聘其为物理教授。而从1924年起,薛定谔开始对量子力学和统计理论感到兴趣,从而把研究方向转到这上面来。



图6.1 薛定谔

和玻尔还有海森堡他们不同,薛定谔并不想在原子那极为复杂的谱线迷宫里奋力冲突,撞得头破血流。他的灵感,直接来自于德布罗意那巧妙绝伦的工作。我们还记得,1923年,德布罗意的研究揭示出,伴随着每一个运动的电子,总是有一个如影随形的“相波”。这一方面为物质的本性究竟是粒子还是波蒙上了更为神秘莫测的面纱,但同时也已经提供了通往最终答案的道路。

薛定谔还是从爱因斯坦的文章中得知德布罗意的工作的。他在1925年11月3日写给爱因斯坦的信中说:“几天前我怀着最大的兴趣阅读了德布罗意富有独创性的论文,并最终掌握了它。我是从你那关于简并气体的第二篇论文的第8节中第一次了解它的。”把每一个粒子都看作是类波的思想对薛定谔来说极为迷人,他很快就在气体统计力学中应用这一理论,并发表了一篇题为《论爱因斯坦的气体理论》的论文。这是他创立波动力学前的最后一篇论文,当时距离那个伟大的时刻已经只有一个月。从中可以看出,德布罗意的思想已经最大程度地获取了薛定谔的信任,他开始相信,只有通过这种波的办法,才能够到达人们所苦苦追寻的那个目标。

1925年的圣诞很快到来了,美丽的阿尔卑斯山上白雪皑皑,吸引了世界各地的旅游度假者。薛定谔一如既往地来到了他以前常去的那个地方:海拔1700米高的阿罗萨(Arosa)。自从他和安妮玛丽·伯特尔(Annemarie Bertel)在1920年结婚后,两人就经常来这里度假。薛定谔的生活有着近乎刻板的规律,他从来不让任何事情干扰他的假期。而每次夫妇俩来到阿罗萨的时候,总是住在赫维格别墅,这是一幢有着尖顶的,四层楼的小屋。

不过1925年,来的却只有薛定谔一个人,安妮留在了苏黎世。当时他们的关系显然极为紧张,不止一次地谈论着分手以及离婚的事宜。薛定谔写信给维也纳的一位“旧日的女朋友”,让她来阿罗萨陪伴自己。这位神秘女郎的身份始终是个谜题,二战后无论是科学史专家还是八卦新闻记者,都曾经竭尽所能地去求证她的真面目,却都没有成功。薛定谔当时的日记已经遗失了,而从留下的蛛丝马迹来看,她又不像任何一位已知的薛定谔的情人。但有一件事是肯定的:这位神秘女郎极大地激发了薛定谔的灵感,使得他在接下来的12个月里令人惊异地始终维持着一种极富创造力和洞察力的状态,并接连不断地发表了六篇关于量子力学的主要论文。薛定谔的同事在回忆的时候总是说,薛定谔的伟大工作是在他生命中一段情欲旺盛的时期做出的。从某种程度上来说,科学还要小小地感谢一下这位不知名的女郎。

回到比较严肃的话题上来。在咀嚼了德布罗意的思想后,薛定谔决定把它用到原子体系的描述中去。我们都已经知道,原子中电子的能量不是连续的,它由原子的分立谱线而充分地证实。为了描述这一现象,玻尔强加了一个“分立能级”的假设,海森堡则运用他那庞大的矩阵,经过复杂的运算后导出了这一结果。现在轮到薛定谔了,他说,不用那么复杂,也不用引入外部的假设,只要把我们的电子看成德布罗意波,用一个波动方程去表示它,那就行了。

薛定谔一开始想从建立在相对论基础上的德布罗意方程出发,将其推广到束缚粒子中去。为此他得出了一个方程,不过不太令人满意,因为没有考虑到电子自旋的情况。当时自旋刚刚发现不久,薛定谔还对其一知半解。于是,他回过头来,从经典力学的哈密顿-雅可比方程出发,利用变分法和德布罗意公式,最后求出了一个非相对论的波动方程,用希腊字母ψ来代表波的函数,最终形式是这样的:



这便是名震整部20世纪物理史的薛定谔波动方程。当然对于一般的读者来说并没有必要去探讨数学上的详细意义,我们只要知道一些符号的含义就可以了。三角△叫做“拉普拉斯算符”,代表了某种微分运算。h是我们熟知的普朗克常数。E是体系总能量,V是势能,在原子里也就是-e2/r。在边界条件确定的情况下求解这个方程,我们可以算出E的解来。

如果我们求解方程sin(x)=0,答案将会是一组数值,x可以是0,π,2π,或者是nπ。sin(x)的函数是连续的,但方程的解却是不连续的,依赖于整数n。同样,我们求解薛定谔方程中的E,也将得到一组分立的答案,其中包含了量子化的特征:整数n。我们的解精确地吻合于实验,原子的神秘光谱不再为矩阵力学所专美,它同样可以从波动方程中被自然地推导出来。

现在,我们能够非常形象地理解为什么电子只能在某些特定的能级上运行了。电子有着一个内在的波动频率,我们想象一下吉他上一根弦的情况:当它被拨动时,它便振动起来。但因为吉他弦的两头是固定的,所以它只能形成整数个波节。如果一个波长是20厘米,那么弦的长度显然只能是20厘米、40厘米、60厘米……而不可以是50厘米。因为那就包含了半个波,从而和它被固定的两头互相矛盾。假如我们的弦形成了某种圆形的轨道,就像电子轨道那样,那么这种“轨道”的大小显然也只能是某些特定值。如果一个波长20厘米,轨道的周长也就只能是20厘米的整数倍,不然就无法头尾互相衔接了。



图6.2 波的振动

从数学上来说,这个函数叫做“本征函数”(Eigenfunction),求出的分立的解叫做“本征值”(Eigenvalue)。所以薛定谔的论文叫做《量子化是本征值问题》,从1926年1月起到6月,他一连发了四篇以此为题的论文,从而彻底地建立了另一种全新的力学体系——波动力学。后来有人声称,薛定谔的这些论文“包含了大部分的物理学和全部化学”。在这四篇论文中间,他还写了一篇《从微观力学到宏观力学的连续过渡》的论文,证明古老的经典力学只是新生的波动力学的一种特殊表现,它完全地被包容在波动力学内部。

薛定谔的方程一出台,几乎全世界的物理学家都为之欢呼。普朗克称其为“划时代的工作”,爱因斯坦说:“……您的想法源自于真正的天才。”“您的量子方程已经迈出了决定性的一步。”埃仑费斯特说:“我为您的理论和其带来的全新观念所着迷。在过去的两个礼拜里,我们的小组每天都要在黑板前花上几个小时,试图从一切角度去理解它。”薛定谔的方程通俗形象,简明易懂,当人们从矩阵那陌生的迷宫里抬起头来,再次看到自己熟悉的以微分方程所表达的系统时,他们都像闻到了故乡泥土的芬芳,有一种热泪盈眶的冲动。但是,这种新体系显然也已经引起了矩阵方面的注意,哥廷根和哥本哈根的那些人,特别是海森堡本人,显然对这种“通俗”的解释是不满意的。

海森堡在写给泡利的信中说:

“我越是思考薛定谔理论的物理意义,就越感到厌恶。薛定谔对于他那理论的形象化的描述是毫无意义的,换一种说法,那纯粹是一个Mist。”Mist这个德文,基本上相当于英语里的bullshit或者crap。

薛定谔也毫不客气,在论文中他说:

“我的理论是从德布罗意那里获得灵感的……我不知道它和海森堡有任何继承上的关系。我当然知道海森堡的理论,它是一种缺乏形象化的,极为困难的超级代数方法。我即使不完全排斥这种理论,至少也对此感到沮丧。”

矩阵力学,还是波动力学?全新的量子论诞生不到一年,很快已经面临内战。



回顾一下量子论在发展过程中所经历的两条迥异的道路是饶有趣味的。第一种办法的思路是直接从观测到的原子谱线出发,引入矩阵的数学工具,用这种奇异的方块去建立起整个新力学的大厦来。它强调观测到的分立性,跳跃性,同时又坚持以数学为唯一导向,不为日常生活的直观经验所迷惑。但是,如果追究根本的话,它所强调的光谱线及其非连续性的一面,始终可以看到微粒势力那隐约的身影。这个理论的核心人物自然是海森堡,波恩,约尔当,而他们背后的精神力量,那位幕后的“教皇”,则无疑是哥本哈根的那位伟大的尼尔斯·玻尔。这些关系密切的科学家们集中资源和火力,组成一个坚强的战斗集体,在短时间内取得突破,从而建立起矩阵力学这一壮观的堡垒来。

而沿着另一条道路前进的人们在组织上显然松散许多。大致说来,这是以德布罗意的理论为切入点,以薛定谔为主将的一个派别。而在波动力学的创建过程中起到关键的指导作用的爱因斯坦,则是他们背后的精神领袖。但是这个理论的政治观点也是很明确的:它强调电子作为波的连续性一面,以波动方程来描述它的行为。它热情地拥抱直观的解释,试图恢复经典力学那种形象化的优良传统,有一种强烈的复古倾向,但革命情绪不如对手那样高涨。打个不太恰当的比方,矩阵方面提倡彻底的激进的改革,摒弃旧理论的直观性,以数学为唯一基础,是革命的左派。而波动方面相对保守,它强调继承性和古典观念,重视理论的形象化和物理意义,是革命的右派。这两派的大战将交织在之后量子论发展的每一步中,从而为人类的整个自然哲学带来极为深远的影响。

在上一节中,我们已经提到,海森堡和薛定谔互相对对方的理论表达出毫不掩饰的厌恶(当然,他们私人之间是无怨无仇的)。他们各自认定,自己的那套方法才是唯一正确的。这是自然的现象,因为矩阵力学和波动力学看上去是那样地不同,而两人的性格又都以好胜和骄傲闻名。当衰败的玻尔理论退出历史舞台,留下一个权力真空的时候,无疑每个人都想占有那一份无上的光荣。不过到了1926年4月份,这种对峙至少在表面上有了缓和,薛定谔,泡利,约尔当都各自证明了,两种力学在数学上来说是完全等价的!事实上,我们追寻它们各自的家族史,发现它们都是从经典的哈密顿函数而来,只不过一个是从粒子的运动方程出发,一个是从波动方程出发罢了。而光学和运动学,早就已经在哈密顿本人的努力下被联系在了一起,这当真叫做“本是同根生”了。很快人们已经知道,从矩阵出发,可以推导出波动函数的表达形式来,而反过来,从波函数也可以导出我们的矩阵。1930年,狄拉克出版了那本经典的量子力学教材,两种力学被完美地统一起来,作为一个理论的不同表达形式出现在读者面前。

但是,如果谁以为从此就天下太平,万事大吉,那可就大错特错了。虽然两种体系在形式上已经归于统一,但从内心深处的意识形态来说,它们之间的分歧却越来越大,很快就形成了不可逾越的鸿沟。数学上的一致并不能阻止人们对它进行不同的诠释,就矩阵方面来说,它的本意是粒子性和不连续性。而波动方面却始终在谈论波动性和连续性。波粒战争现在到达了最高潮,双方分别找到了各自可以依赖的新政府,并把这场战争再次升级到对整个物理规律的解释这一层次上去。

“波,只有波才是唯一的实在。”薛定谔肯定地说,“不管是电子也好,光子也好,或者任何粒子也好,都只是波动表面的泡沫。它们本质上都是波,都可以用波动方程来表达基本的运动方式。”

“绝对不敢苟同。”海森堡反驳道,“物理世界的基本现象是离散性,或者说不连续性。大量的实验事实证明了这一点:从原子的光谱,到康普顿的实验,从光电现象,到原子中电子在能级间的跳跃,都无可辩驳地显示出大自然是不连续的。你那波动方程当然在数学上是一个可喜的成就,但我们必须认识到,我们不能按照传统的那种方式去认识它——它不是那个意思。”

“恰恰相反。”薛定谔说,“它就是那个意思。波函数ψ(读作psai)在各个方向上都是连续的,它可以看成是某种振动。事实上,我们必须把电子想象成一种驻在的本征振动,所谓电子的“跃迁”,只不过是它振动方式的改变而已。没有什么‘轨道’,也没有什么‘能级’,只有波。”

“哈哈。”海森堡嘲笑说,“你恐怕对你自己的ψ是个什么东西都没有搞懂吧?它只是在某个虚拟的空间里虚拟出来的函数,而你硬要把它想象成一种实在的波。事实上,我们绝不能被日常的形象化的东西所误导,再怎么说,电子作为经典粒子的行为你是不能否认的。”

“没错。”薛定谔还是不肯示弱,“我不否认它的确展示出类似质点的行为。但是,就像一个椰子一样,如果你敲开它那粒子的坚硬的外壳,你会发现那里面还是波动的柔软的汁水。电子无疑是由正弦波组成的,但这种波在各个尺度上伸展都不大,可以看成一个‘波包’。当这种波包作为一个整体前进时,它看起来就像是一个粒子。可是,本质上,它还是波,粒子只不过是波的一种衍生物而已。”

正如大家都已经猜到的那样,两人谁也无法说服对方。1926年7月,薛定谔应邀到慕尼黑大学讲授他的新力学,海森堡就坐在下面,他站起来激烈地批评薛定谔的解释,结果悲哀地发现在场的听众都对他持有反对态度。早些时候,玻尔原来的助手克喇默斯接受了乌特勒支(Utrecht)大学的聘书而离开哥本哈根,于是海森堡成了这个位置的继任者——现在他可以如梦想的那样在玻尔的身边工作了。玻尔也对薛定谔那种回归经典传统的理论观感到不安,为了解决这个问题,他邀请薛定谔到哥本哈根进行一次学术访问,争取在交流中达成某种一致意见。

9月底,薛定谔抵达哥本哈根,玻尔到火车站去接他。争论从那一刻便已经展开,日日夜夜,无休无止,一直到薛定谔最终离开哥本哈根为止。海森堡后来栩栩如生地回忆了这次碰面,他说,虽然平日里玻尔是那样一个和蔼可亲的人,但一旦他卷入这种物理争论,他看起来就像一个偏执的宗教狂热者,决不肯妥协一步。争论当然是物理上的问题,但在很大程度上已经变成了哲学之争。薛定谔就是不能相信,一种“无法想象”的理论有什么实际意义。而玻尔则坚持认为,图像化的概念是不可能用在量子过程中的,它无法用日常语言来描述。他们激烈地从白天吵到晚上,最后薛定谔筋疲力尽,他很快病倒了,不得不躺到床上,由玻尔的妻子玛格丽特来照顾。即使这样,玻尔仍然不依不饶,他冲进病房,站在薛定谔的床头继续与之辩论。当然,一切都是徒劳,谁也没有被对方说服。薛定谔最后甚至来了句很著名的话:“假如我们还是摆脱不了这些该死的量子跃迁的话,我宁愿从来没有涉足过什么量子力学。”玻尔对此意味深长地回敬道:“还好,你已经涉足了,我们为此都感到很高兴……”







图6.3 量子人物素描(Capo)

物理学界的空气业已变得非常火热。经典理论已经倒塌了,现在矩阵力学和波动力学两座大厦拔地而起,它们之间以某种天桥互相联系,从理论上说要算是一体。可是,这两座大厦的地基却仍然互不关联,这使得表面上的亲善未免有那么一些口是心非的味道。而且,波动和微粒,这两个300年来的宿敌还在苦苦交战,不肯从自己的领土上后退一步。双方都依旧宣称自己对于光、电,还有种种物理现象拥有一切主权,而对手是非法武装势力,是反政府组织。现在薛定谔加入波动的阵营,他甚至为波动提供了一部完整的宪法,也就是他的波动方程。在薛定谔看来,波动代表了从惠更斯,杨一直到麦克斯韦的旧日帝国的光荣,而这种贵族的传统必须在新的国家得到保留和发扬。薛定谔相信,波动这一简明形象的概念将再次统治物理世界,从而把一切都归结到一个统一的图像里去。

不幸的是,薛定谔猜错了。波动方面很快就要发现,他们的宪法原来有着更为深长的意味。从字里行间,我们可以读出一些隐藏的意思来,它说,天下为公,哪一方也不能独占,双方必须和谈,然后组成一个联合政府来进行统治。它还披露了更为惊人的秘密:双方原来在血缘上有着密不可分的关系。最后,就像阿尔忒弥斯神庙的祭司所作出的神喻,它预言在这种联合统治下,物理学将会变得极为不同:更为奇妙,更为神秘,更为繁荣。

好一个精彩的预言。

饭后闲话:薛定谔的女朋友

2001年11月,剧作家Matthew Wells的新作《薛定谔的女朋友》(Schrodinger’s Girfriend)在旧金山著名的Fort Mason Center首演。这出喜剧以1926年薛定谔在阿罗萨那位神秘女友的陪伴下创立波动力学这一历史为背景,探讨了爱情、性,还有量子物理的关系,受到了评论家的普遍好评。2003年初,这个剧本搬到东岸演出,同样受到欢迎。近年来形成了一股以科学人物和科学史为题材的话剧创作风气,除了这出《薛定谔的女朋友》之外,恐怕更有名的就是那个东尼奖得主,Michael Frayn的《哥本哈根》了。

不过,要数清薛定谔到底有几个女朋友,还当真是一件难事。这位物理大师的道德观显然和常人有着一定的距离,他的古怪行为一直为人们所排斥。1912年,他差点为了喜欢的一个女孩而放弃学术,改行经营自己的家庭公司(当时在大学教书不怎么赚钱),到他遇上安妮玛丽之前,薛定谔总共爱上过4个年轻女孩,而且主要是一种精神上的恋爱关系。对此,薛定谔的主要传记作者之一,Walter Moore辩解说,不能把它简单地看成一种放纵行为。

如果以上都还算正常,婚后的薛定谔就有点不拘礼法的狂放味道了。他和安妮的婚姻之路从来不曾安定和谐,两人终生也没有孩子。而在外沾花惹草的事,薛定谔恐怕没有少做,他对太太也不隐瞒这一点。安妮,反过来,也和薛定谔最好的朋友之一,赫尔曼·威尔(Hermann Weyl)保持着暧昧的关系(威尔自己的老婆却又迷上了另一个人,真是天昏地暗)。两人讨论过离婚,但安妮的天主教信仰和昂贵的手续费事实上阻止了这件事的发生。《薛定谔的女朋友》一剧中调笑说:“到底是波-粒子的二象性难一点呢,还是老婆-情人的二象性更难?”

薛定谔,按照某种流行的说法,属于那种“多情种子”。他邀请别人来做他的助手,其实却是看上了他的老婆。这个女人(Hilde March)后来为他生了一个女儿,令人惊奇的是,安妮却十分乐意地照顾这个婴儿。薛定谔和这两个女子公开同居,事实上过着一种一妻一妾的生活(这个妾还是别人的合法妻子),这过于惊世骇俗,结果在牛津和普林斯顿都站不住脚,只好走人。他的风流史还可以开出一长串,其中有女学生、演员、OL,留下了若干私生子。但薛定谔却不是单纯的欲望的发泄,他的内心有着强烈的罗曼蒂克式的冲动,按照段正淳的说法,和每个女子在一起时,却都是死心塌地,恨不得把心掏出来,为之谱写了大量的情诗。我希望大家不要认为我过于八卦,事实上对情史的分析是薛定谔研究中的重要内容,它有助于我们理解这位科学家极为复杂的内在心理和带有个人色彩的独特性格。

最最叫人惊讶的是,这样一个薛定谔的婚姻后来却几乎得到了完美的结局。尽管经历了种种风浪,穿越重重险滩,他和安妮却最终白头到老,真正像在誓言中所说的那样:to have and to hold, in sickness and in health, till death parts us。在薛定谔生命的最后时期,两人早已达成了谅解,安妮说:“在过去41年里的喜怒哀乐把我们紧紧结合在一起,这最后几年我们也不想分开了。”薛定谔临终时,安妮守在他的床前握住他的手,薛定谔说:“现在我又拥有了你,一切又都好起来了。”

薛定谔死后葬在Alpbach,他的墓地不久就被皑皑白雪所覆盖。四年后,安妮玛丽·薛定谔也停止了呼吸。



图6.4 阿罗萨的赫维格别墅



1926年中,虽然矩阵派和波动派还在内心深处相互不服气,它们至少在表面上被数学所统一起来了。而且,不出意外地,薛定谔的波动方程以其琅琅上口,简明易学,为大多数物理学家所欢迎的特色,很快在形式上占得了上风。海森堡和他那诘屈聱牙的方块矩阵虽然不太乐意,也只好接受现实。事实证明,除了在处理关于自旋的几个问题时矩阵占点优势,其他时候波动方程抢走了几乎全部的人气。其实吗,物理学家和公众想象的大不一样,很少有人喜欢那种又难又怪的变态数学,既然两种体系已经被证明在数学上具有同等性,大家也就乐得选那个看起来简单熟悉的。

甚至在矩阵派内部,波动方程也受到了欢迎。首先是海森堡的老师索末菲,然后是建立矩阵力学的核心人物之一,海森堡的另一位导师马科斯·波恩。波恩在薛定谔方程刚出炉不久后就热情地赞叹了他的成就,称波动方程“是量子规律中最深刻的形式”。据说,海森堡对波恩的这个“叛变”一度感到十分伤心。

但是,海森堡未免多虑了,波恩对薛定谔方程的赞许并不表明他选择和薛定谔站在同一条战壕里。因为虽然方程确定了,但怎么去解释它却是一个大大不同的问题。首先人们要问的就是,薛定谔的那个波函数ψ(再提醒一下,这个希腊字读成psai),它在物理上代表了什么意义?

我们不妨再回顾一下薛定谔创立波动方程的思路:他是从经典的哈密顿方程出发,构造一个体系的新函数ψ代入,然后再引用德布罗意关系式和变分法,最后求出了方程及其解答,这和我们印象中的物理学是迥然不同的。通常我们会以为,先有物理量的定义,然后才谈得上寻找它们的数学关系。比如我们懂得了力F,加速度a和质量m的概念,之后才会理解F=ma的意义。但现代物理学的路子往往可能是相反的,比如物理学家很可能会先定义某个函数F,让F=ma,然后才去寻找F的物理意义,发现它原来是力的量度。薛定谔的ψ,就是在空间中定义的某种分布函数,只是人们还不知道它的物理意义是什么。

这看起来颇有趣味,因为物理学家也不得不坐下来猜哑谜了。现在让我们放松一下,想象自己在某个晚会上,主持人安排了一个趣味猜谜节目供大家消遣。“女士们先生们,”他兴高采烈地宣布,“我们来玩一个猜东西的游戏,谁先猜出这个箱子里藏的是什么,谁就能得到晚会上的最高荣誉。”大家定睛一看,那个大箱子似乎沉甸甸的,还真像藏着好东西,箱盖上古色古香写了几个大字:“薛定谔方程”。

“好吧,可是什么都看不见,怎么猜呢?”人们抱怨道。“那当然那当然。”主持人连忙说,“我们不是学孙悟空玩隔板猜物,再说这里面也决不是破烂溜丢一口钟,那可是货真价实的关系到整个物理学的宝贝。嗯,是这样的,虽然我们都看不见它,但它的某些性质却是可以知道的,我会不断地提示大家,看谁先猜出来。”

众人一阵鼓噪,就这样游戏开始了。“这件东西,我们不知其名,强名之曰ψ。”主持人清了清嗓门说,“我可以告诉大家的是,它代表了原子体系中电子的某个函数。”下面顿时七嘴八舌起来:“能量?频率?速度?距离?时间?电荷?质量?”主持人不得不提高嗓门喊道:“安静,安静,我们还刚刚开始呢,不要乱猜啊。从现在开始谁猜错了就失去参赛资格。”于是瞬间鸦雀无声。

“好。”主持人满意地说,“那么我们继续。第二个条件是这样的:通过我的观察,我发现,这个ψ是一个连续不断的东西。”这次大家都不敢说话,但各人迅速在心里面做了排除。既然是连续不断,那么我们已知的那些量子化的条件就都排除了。比如我们都已经知道电子的能级不是连续的,那ψ看起来不像是这个东西。

“接下来,通过ψ的构造可以看出,这是一个关于电子位置的函数,但它并没有量纲。对于电子在空间中的每一点来说,它都在一个虚拟的三维空间里扩展开去。”话说到这里好些人已经糊涂了,只有几个思维特别敏捷的还在紧张地思考。

“总而言之,ψ如影随形地伴随着每一个电子,在它所处的那个位置上如同一团云彩般地扩散开来。这云彩时而浓厚时而稀薄,但却是按照某种确定的方式演化。而且,我再强调一遍,这种扩散及其演化都是经典的,连续的,确定的。”于是众人都陷入冥思苦想中,一点头绪都没有。

“是的,云彩,这个比喻真妙。”这时候一个面容瘦削,戴着夹鼻眼睛的男人呵呵笑着站起来说。主持人赶紧介绍:“女士们先生们,这位就是薛定谔先生,也是这口宝箱的发现者。”大家于是一阵鼓掌,然后屏息凝神地听他要发表什么高见。

“嗯,事情已经很明显了,ψ是一个空间分布函数。”薛定谔满有把握地说,“当它和电子的电荷相乘,就代表了电荷在空间中的实际分布。云彩,尊敬的各位,电子不是一个粒子,它是一团波,像云彩一般地在空间四周扩展开去。我们的波函数恰恰描述了这种扩展和它的行为。电子是没有具体位置的,它也没有具体的路径,因为它是一团云,是一个波,它向每一个方向延伸——虽然衰减得很快,这使它粗看来像一个粒子。女士们先生们,我觉得这个发现的最大意义就是,我们必须把一切关于粒子的假相都从头脑里清除出去,不管是电子也好,光子也好,什么什么子也好,它们都不是那种传统意义上的粒子。把它们拉出来放大,仔细审视它们,你会发现它在空间里融化开来,变成无数振动的叠加。是的,一个电子,它是涂抹开的,就像涂在面包上的黄油那样,它平时蜷缩得那么紧,以致我们都把它当成小球,但是,这已经被我们的波函数ψ证明不是真的。多年来物理学误入歧途,我们的脑袋被光谱线,跃迁,能级,矩阵这些古怪的东西搞得混乱不堪,现在,是时候回归经典了。”

“这个宝箱,”薛定谔指着那口大箱子激动地说,“是一笔遗产,是昔日传奇帝国的所罗门王交由我们继承的。它时时提醒我们,不要为歪门邪道所诱惑,走到无法回头的岔路上去。物理学需要改革,但不能允许思想的混乱,我们已经听够了奇谈怪论,诸如电子像跳蚤一般地在原子里跳来跳去,像一个完全无法预见自己方向的醉汉。还有那故弄玄虚的所谓矩阵,没人知道它包含什么物理含义,而它却不停地叫嚷自己是物理学的正统。不,现在让我们回到坚实的土地上来,这片巨人们曾经奋斗过的土地,这片曾经建筑起那样雄伟构筑的土地,这片充满了骄傲和光荣历史的土地。简洁、明晰、优美、直观性、连续性、图像化,这是物理学王国中的胜利之杖,它代代相传,引领我们走向胜利。我毫不怀疑,新的力学将在连续的波动基础上作出,把一切都归于简单的图像中,并继承旧王室的血统。这决不是守旧,因为这种血统同时也是承载了现代科学300年的灵魂。这是物理学的象征,它的神圣地位决不容许受到撼动,任何人也不行。”

薛定谔这番雄辩的演讲无疑深深感染了在场的绝大部分观众,因为人群中爆发出一阵热烈的掌声和喝彩声。但是,等等,有一个人在不断地摇头,显得不以为然的样子,薛定谔很快就认出,那是哥廷根的波恩,海森堡的老师。他不是刚刚称赞过自己的方程吗?难道海森堡这小子又用了什么办法把他拉拢过去了不成?

“嗯,薛定谔先生”,波恩清了清嗓子站起来说,“首先我还是要对您的发现表示由衷的赞叹,这无疑是稀世奇珍,不是每个人都有如此幸运做出这样伟大的成就的。”薛定谔点了点头,心情放松了一点。“但是,”波恩接着说,“我可以问您一个问题吗?虽然这是您找到的,但您本人有没有真正地打开过箱子,看看里面是什么呢?”

这令薛定谔大大地尴尬,他踟躇了好一会儿才回答:“说实话,我也没有真正看见过里面的东西,因为我没有箱子的钥匙。”众人一片惊诧。

“如果是这样的话,”波恩小心翼翼地说,“我倒以为,我不太同意您刚才的猜测呢。”

“哦?”两个人对视了一阵,薛定谔终于开口说:“那么您以为,这里面究竟是什么东西呢?”

“毫无疑问,”波恩凝视着那雕满了古典花纹的箱子和它上面那把沉重的大锁,“这里面藏着一些至关紧要的事物,它的力量足以改变整个物理学的面貌。但是,我也有一种预感,这股束缚着的力量是如此强大,它将把物理学搞得天翻地覆。当然,你也可以换个词语说,为物理学带来无边的混乱。”

“哦,是吗?”薛定谔惊奇地说,“照这么说来,难道它是潘多拉的盒子?”

“嗯。”波恩点了点头,“人们将陷入困惑和争论中,物理学会变成一个难以理解的奇幻世界。老实说,虽然我隐约猜到了里面是什么,我还是不能确定该不该把它说出来。”

薛定谔盯着波恩:“我们都相信科学的力量,在于它敢于直视一切事实,并毫不犹豫地去面对它,检验它,把握它,不管它是什么。何况,就算是潘多拉盒子,我们至少也还拥有盒底那最宝贵的东西,难道你忘了吗?”

“是的,那是希望。”波恩长出了一口气,“你说的对,不管是祸是福,我们至少还拥有希望。只有存在争论,物理学才拥有未来。”

“那么,你说这箱子里是……?”全场一片静默,人人都不敢出声。

波恩突然神秘地笑了:“我猜,这里面藏的是……”

“……骰子。”



图6.5 薛定谔方程和骰子



骰子?骰子是什么东西?它应该出现在大富翁游戏里,应该出现在澳门和拉斯维加斯的赌场中,但是,物理学?不,那不是它应该来的地方。骰子代表了投机,代表了不确定,而物理学不是一门最严格最精密,最不能容忍不确定的科学吗?

可以想象,当波恩于1926年7月将骰子带进物理学后,是引起了何等的轩然大波。围绕着这个核心解释所展开的争论激烈而尖锐,把物理学加热到了沸点。这个话题是如此具有争议性,很快就要引发20世纪物理史上最有名的一场大论战,而可怜的波恩一直要到整整28年后,才因为这一杰出的发现而获得诺贝尔奖金——比他的学生们晚上许多。

不管怎么样,我们还是先来看看波恩都说了些什么。骰子,这才是薛定谔波函数ψ的解释,它代表的是一种随机,一种概率,而决不是薛定谔本人所理解的,是电子电荷在空间中的实际分布。波恩争辩道,ψ,或者更准确一点,ψ的平方,代表了电子在某个地点出现的“概率”。电子本身不会像波那样扩展开去,但是它的出现概率则像一个波,严格地按照ψ的分布所展开。

我们来回忆一下电子或者光子的双缝干涉实验,这是电子波动性的最好证明。当电子穿过两道狭缝后,便在感应屏上组成了一个明暗相间的图案,展示了波峰和波谷的相互增强和抵消。但是,正如粒子派指出的那样,每次电子只会在屏上打出一个小点,只有当成群的电子穿过双缝后,才会逐渐组成整个图案。

现在让我们来做一个思维实验,想象我们有一台仪器,它每次只发射出一个电子。这个电子穿过双缝,打到感光屏上,激发出一个小亮点。那么,对于这一个电子,我们可以说些什么呢?很明显,我们不能预言它组成类波的干涉条纹,因为一个电子只会留下一个点而已。事实上,对于这个电子将会出现在屏幕上的什么地方,我们是一点头绪都没有的,多次重复我们的实验,它有时出现在这里,有时出现在那里,完全不是一个确定的过程。

不过,我们经过大量的观察,却可以发现,这个电子不是完全没有规律的:它在某些地方出现的可能性要大一些,在另一些地方则小一些。它出现频率高的地方,恰恰是波动所预言的干涉条纹的亮处,它出现频率低的地方则对应于暗处。现在我们可以理解为什么大量电子能组成干涉条纹了,因为虽然每一个电子的行为都是随机的,但这个随机分布的总的模式却是确定的,它就是一个干涉条纹的图案。这就像我们掷骰子,虽然每一个骰子掷下去,它的结果都是完全随机的,从1到6都有可能,但如果你投掷大量的骰子到地下,然后数一数每个点的数量,你会发现1到6的结果差不多是平均的。

关键是,单个电子总是以一个点的面貌出现,它从来不会像薛定谔所说的那样,在屏幕上打出一滩图案来。只有大量电子接二连三地跟进,总的干涉图案才会逐渐出现。其中亮的地方也就是比较多的电子打中的地方,换句话说,就是单个电子比较容易出现的地方,暗的地带则正好相反。如果我们发现,有9成的粒子聚集在亮带,只有1成的粒子在暗带,那么我们就可以预言,对于单个粒子来说,它有90%的可能出现在亮带的区域,10%的可能出现在暗带。但是,究竟出现在哪里,我们是无法确定的,我们只能预言概率而已。

嗯,我们只能预言概率而已。

但是,等等,我们怎么敢随便说出这种话来呢?这不是对于古老的物理学的一种大不敬吗?从伽利略牛顿以来,成千上百的先辈们为这门科学呕心沥血,建筑起了这样宏伟的构筑,它的力量统治整个宇宙,从最大的星系到最小的原子,万事万物都在它的威力下必恭必敬地运转。任何巨大的或者细微的动作都逃不出它的力量。星系之间产生可怕的碰撞,释放出难以想象的光和热,并诞生数以亿计的新恒星;宇宙射线以惊人的高速穿越遥远的空间,见证亘古的时光;微小得看不见的分子们你推我搡,喧闹不停;地球庄严地围绕着太阳运转,它自己的自转轴同时以难以觉察的速度轻微地振动;坚硬的岩石随着时光流逝而逐渐风化;鸟儿扑动它的翅膀,借着气流一飞冲天。这一切的一切,不都是在物理定律的监视下一丝不苟地进行的吗?

更重要的是,物理学不仅能够解释过去和现在,它还能预言未来。我们的定律和方程能够毫不含糊地预测一颗炮弹的轨迹以及它降落的地点;我们能预言几千年后的日食,时刻准确到秒;给我一张电路图,多复杂都行,我能够说出它将做些什么;我们制造的机器乖乖地按照我们预先制定好的计划运行。事实上,对于任何一个系统,只要给我足够的初始信息,赋予我足够的运算能力,我能够推算出这个体系的一切历史,从它最初怎样开始运行,一直到它在遥远的未来的命运,一切都不是秘密。是的,一切系统,哪怕骰子也一样。告诉我骰子的大小,质量,质地,初速度,高度,角度,空气阻力,桌子的质地,摩擦系数,告诉我一切所需要的情报,那么,只要我拥有足够的运算能力,我可以毫不迟疑地预先告诉你,这个骰子将会掷出几点来。

物理学统治整个宇宙,它的过去和未来,一切都尽在掌握。这已经成了物理学家心中深深的信仰。19世纪初,法国的大科学家拉普拉斯(Pierre Simon de Laplace)在用牛顿方程计算出了行星轨道后,把它展示给拿破仑看。拿破仑问道:“在你的理论中,上帝在哪儿呢?”拉普拉斯平静地回答:“陛下,我的理论不需要这个假设。”

是啊,上帝在物理学中能有什么位置呢?一切都是由物理定律来统治的,每一个分子都遵照物理定律来运行,如果说上帝有什么作用的话,他最多是在一开始推动了这个体系一下,让它得以开始运转罢了。在之后的漫长历史中,有没有上帝都是无关紧要的了,上帝被物理学赶出了舞台。

“我不需要上帝这个假设。”拉普拉斯站在拿破仑面前说。这可算科学最光辉最荣耀的时刻之一了,它把无边的自豪和骄傲播撒到每一个科学家的心中。不仅不需要上帝,拉普拉斯想象,假如我们有一个妖精,一个大智者,或者任何拥有足够智慧的人物,假如他能够了解在某一刻,这个宇宙所有分子的运动情况的话,那么他就可以从正反两个方向推演,从而得出宇宙在任意时刻的状态。对于这样的智者来说,没有什么过去和未来的分别,一切都历历在目。宇宙从它出生的那一刹那开始,就坠入了一个预定的轨道,它严格地按照物理定律发展,没有任何岔路可以走,一直到遇见它那注定的命运为止。就像你出手投篮,那么,这究竟是一个三分球,还是打中篮筐弹出,或者是一个air ball,这都在你出手的一刹那决定了,之后我们所能做的,就是看着它按照写好的剧本发展而已。

是的,科学家知道过去;是的,科学家明白现在;是的,科学家了解未来。只要掌握了定律,只要搜集足够多的情报,只要能够处理足够大的运算量,科学家就能如同上帝一般无所不知。整个宇宙只不过是一台精密的机器,它的每个零件都按照定律一丝不苟地运行,这种想法就是古典的,严格的决定论(determinism)。宇宙从出生的那一刹那起,就有一个确定的命运。我们现在无法了解它,只是因为我们所知道的信息太少而已。



图6.6 决定论

那么多的天才前仆后继,那么多的伟人呕心沥血,那么多在黑暗中的探索,挣扎,奋斗,这才凝结成物理学在19世纪黄金时代的全部光荣。物理学家终于可以说,他们能够预测神秘的宇宙了,因为他们找到了宇宙运行的奥秘。他们说这话时,带着一种神圣而不可侵犯的情感,决不饶恕任何敢于轻视物理学力量的人。

可是,现在有人说,物理不能预测电子的行为,它只能找到电子出现的概率而已。无论如何,我们也没办法确定单个电子究竟会出现在什么地方,我们只能猜想,电子有90%的可能出现在这里,10%的可能出现在那里。这难道不是对整个物理历史的挑衅,对物理学的光荣和尊严的一种侮辱吗?

我们不能确定?物理学的词典里是没有这个字眼的。在中学的物理考试中,题目给了我们一个小球的初始参数,要求t时刻的状态,你敢写上“我不能确定”吗?要是你这样做了,你的物理老师准会气得吹胡子瞪眼睛,并且毫不犹豫地给你亮个红灯。不能确定?不可能,物理学什么都能确定。诚然,有时候为了方便,我们也会引进一些统计的方法,比如处理大量的空气分子运动时,但那是完全不同的一个问题。科学家只是凡人,无法处理那样多的复杂计算,所以应用了统计的捷径。但是从理论上来说,只要我们了解每一个分子的状态,我们完全可以严格地推断出整个系统的行为,分毫不爽。

然而波恩的解释不是这样,波恩的意思是,就算我们把电子的初始状态测量得精确无比,就算我们拥有最强大的计算机可以计算一切环境对电子的影响,即便如此,我们也不能预言电子最后的准确位置。这种不确定不是因为我们的计算能力不足而引起的,它是深藏在物理定律本身内部的一种属性。即使从理论上来说,我们也不能准确地预测大自然。这已经不是推翻某个理论的问题,这是对整个决定论系统的挑战,而决定论是那时整个科学的基础。量子论挑战整个科学。



图6.7 概率论

波恩在论文里写道:“……这里出现的是整个决定论的问题了。”(Hier erhebt sich der ganze Problematik des Determinismus.)

对于许多物理学家来说,这是一个不可原谅的假设。骰子?不确定?别开玩笑了。对于他们中的好些人来说,物理学之所以那样迷人,那样富有魔力,正是因为它深刻,明晰,能够确定一切,扫清人们的一切疑惑,这才使他们义无反顾地投身到这一事业中去。现在,物理学竟然有变成摇奖机器的危险,竟然要变成一个掷骰子来决定命运的赌徒,这怎么能够容忍呢?

不确定?你确定吗?

一场史无前例的大争论即将展开,在争吵和辩论后面是激动,颤抖,绝望,泪水,伴随着整个决定论在20世纪的悲壮谢幕。

饭后闲话:决定论

可以说决定论的兴衰浓缩了整部自然科学在20世纪的发展史。科学从牛顿和拉普拉斯的时代走来,辉煌的成功使它一时得意忘形,认为它具有预测一切的能力。决定论认为,万物都已经由物理定律所规定下来,连一个细节都不能更改。过去和未来都像已经写好的剧本,宇宙的发展只能严格地按照这个剧本进行,无法跳出这个窠臼。

矜持的决定论在20世纪首先遭到了量子论的严重挑战,随后混沌动力学的兴起使它彻底被打垮。现在我们已经知道,即使没有量子论把概率这一基本属性赋予自然界,就牛顿方程本身来说,许多系统也是极不稳定的,任何细小的干扰都能够对系统的发展造成极大的影响,差之毫厘,失之千里。这些干扰从本质上说是不可预测的,因此想凭借牛顿方程来预测整个系统从理论上说也是不可行的。典型的例子是长期的天气预报,大家可能都已经听说过洛伦兹著名的“蝴蝶效应”:哪怕一只蝴蝶轻微地扇动它的翅膀,也能给整个天气系统造成戏剧性的变化(最近好莱坞还以此为名拍了一部电影)。现在的天气预报也已经普遍改用概率性的说法,比如“明天的降水概率是20%”。

1986年,著名的流体力学权威,詹姆士·莱特希尔爵士(Sir James Lighthill,他于1969年从狄拉克手里接过剑桥卢卡萨教授的席位,也就是牛顿曾担任过的那个)于皇家学会纪念牛顿《原理》发表300周年的集会上作出了轰动一时的道歉:

“现在我们都深深意识到,我们的前辈对牛顿力学的惊人成就是那样崇拜,这使他们把它总结成一种可预言的系统。而且说实话,我们在1960年以前也大都倾向于相信这个说法,但现在我们知道这是错误的。我们以前曾经误导了公众,向他们宣传说满足牛顿运动定律的系统是决定论的,但是这在1960年后已被证明不是真的。我们都愿意在此向公众表示道歉。”

决定论的垮台是否注定了自由意志的兴起?这在哲学上是很值得探讨的。事实上,在量子论之后,物理学越来越陷于形而上学的争论中。也许形而上学(metaphysics)应该改个名字叫“量子论之后”(metaquantum)。在我们的史话后面,我们会详细地探讨这些问题。

Ian Stewart写过一本关于混沌的书,书名也叫《上帝掷骰子吗》。这本书文字优美,很值得一读,当然它和我们的史话没什么联系。我用这个名字,一方面是想强调决定论的兴衰是我们史话的中心话题,另外,毕竟爱因斯坦这句名言本来的版权是属于量子论的。



在我们出发去回顾新量子论与经典决定论的那场惊心动魄的悲壮决战之前,在本章的最后还是让我们先来关注一下历史遗留问题,也就是我们的微粒和波动的宿怨。波恩的概率解释无疑是对薛定谔传统波动解释的一个沉重打击,现在,微粒似乎可以暂时高兴一下了。

“看,”它嘲笑对手说,“薛定谔也救不了你,他对波函数的解释是站不住脚的。难怪总是有人说,薛定谔的方程比薛定谔本人还聪明哪。波恩的概率才是有道理的,电子始终是一个电子,任何时候你观察它,它都是一个粒子,你吵嚷多年的所谓波,原来只是那看不见摸不着的‘概率’罢了。哈哈,把这个头衔让给你,我倒是毫无异议的,但你得首先承认我的正统地位。”

但是波动没有被吓倒,说实话,双方300年的恩怨缠结,经过那么多风风雨雨,早就练就了处变不惊的本领。“哦,是吗?”它冷静地回应道,“恐怕事情不如你想象得那么简单吧?老实讲,是波还是粒子,你我都口说无凭,只有当事者自己才清楚。我们不如设身处地,缩小到电子那个尺寸,去亲身感受一下一个电子在双缝实验中的经历如何?”

微粒迟疑了一下便接受了:“好吧,让你彻底死心也好。”

那么,现在让我们也想象自己缩小到电子那个尺寸,跟着它们一起去看看事实上到底发生了什么事。我们即将进入一个神奇的微观世界:一个电子的直径小于一亿分之一埃,也就是10-23米,它的质量小于10-30千克。变得这样小,看来这必定是一次奇妙的旅程呢。

突然间,就像爱丽丝吃下了那神奇的蘑菇,我们的身体逐渐缩小,终于已经和一个电子一样大了。一下子变小了那么多,还真有点不适应,看出去的世界也变得模糊扭曲起来。不过,我们第一次发现,世界原来那么空旷,几乎是空无一物,这也情有可原,从我们的尺度看来,原子核应该像是远在天边吧?好,现在迎面来了一个电子,这是个好机会,让我们睁大眼睛,仔细地看一看它究竟是个粒子还是波……奇怪,为什么我们什么都看不见呢?啊,原来我们忘了一个关键的事实!

要“看见”东西,必须有光进入我们的眼睛才行。但现在我们变得这么小,即使光——不管它是光子还是光波——对于我们来说也太大了。这不免有些令人失望:我们注定无法亲眼看见一个电子的模样。但是,不用太过泄气,虽然看不见,我们仍然可以听见。这不,微粒和波动正在前面争论呢,咱们还是跟着这哥俩去看个究竟。它们为了模拟一个电子的历程,从某个阴极射线管出发,现在,面前就是那著名的双缝了。

“嗨,微粒。”波动说道,“假如电子是个粒子的话,它下一步该怎样行动呢?眼前有两条缝,它只能选择其中之一啊,如果它是个粒子,它不可能两条缝都通过吧?”

“嗯,没错。”微粒说,“粒子就是一个小点,是不可分割的。我想,电子必定选择通过了其中的某一条狭缝,然后投射到后面的光屏上,激发出一个小点。”

“可是,”波动一针见血地说,“它怎能够按照干涉模式的概率来行动呢?比如说它从右边那条缝过去了吧,当它打到屏幕前,它怎么能够知道,它应该有90%的机会出现到亮带区,10%的机会留给暗带区呢?要知道这个干涉条纹可是和两条狭缝之间的距离密切相关啊,要是电子只通过了一条缝,它是如何得知两条缝之间的距离的呢?”

微粒有点尴尬,它迟疑地说:“我也承认,伴随着一个电子的有某种类波的东西,也就是薛定谔的波函数ψ,波恩说它是概率,我们就假设它是某种看不见的概率波吧。你可以把它想象成从电子身上散发出去的某种看不见的场,我想,在它通过双缝之前,这种看不见的波场在空间中弥漫开去,探测到了双缝之间的距离,从而使一个电子得以知道如何严格地按照概率行动。但是,它的实体是个粒子,必定只能通过其中的一条缝。”

“一点道理也没有。”波动摇头说,“我们不妨想象这样一个情景吧,假如电子是一个粒子,它现在决定通过右边的那条狭缝。姑且相信你的说法,有某种概率波事先探测到了双缝间的距离,让它胸有成竹知道如何行动。可是,假如在它进入右边狭缝前的那一刹那,有人关闭了另一道狭缝,也就是左边的那道狭缝,那时会发生什么情形呢?”

微粒有点脸色发白。

“那时候,”波动继续说,“就没有双缝了,只有单缝。电子穿过一条缝,就无所谓什么干涉条纹。也就是说,当左边狭缝关闭的一刹那,电子的概率必须立刻从干涉模式转换成普通模式,变成一条长狭带。”

“现在,我倒请问,电子是如何在穿过狭缝前的一刹那,及时地得知另一条狭缝关闭这个事实的呢?要知道它可是一个小得不能再小的电子啊,从它的尺度来说,另一条狭缝距离是如此遥远,就像从上海隔着大洋遥望洛杉矶。它如何能够瞬间作出反应,修改自己的概率分布呢?除非它收到了某种瞬时传播来的信号,可是信号的传输有光速的上限啊!怎么,你想开始反对相对论了吗?”



图6.8 电子在双缝前

“好吧,”微粒不服气地说,“那么,我倒想听听你的解释。”

“很简单,”波动说,“电子是一个在空间中扩散开去的波,它同时穿过了两条狭缝,当然,这也就是它造成完美干涉的原因了。如果你关闭一个狭缝,那么显然就关闭了一部分波的路径,这时就谈不上干涉了。”

“听起来很不错。”微粒说,“照你这么说,ψ是某种实际的波,它穿过两道狭缝,完全确定而连续地分布着,一直到击中感应屏前。不过,之后呢?之后发生了什么事?”

“之后……”波动也有点语塞,“之后,出于某种原因,ψ收缩成了一个小点。”

“哈,真奇妙。”微粒故意把声音拉长以示讽刺,“你那扩散而连续的波突然变成了一个小点!请问发生了什么事呢?波动家族突然全体罢工了?”

波动气得面红耳赤,它争辩道:“出于某种我们尚不清楚的机制……”

“好吧,”微粒不耐烦地说,“实践是检验真理的唯一标准是吧?既然我说电子只通过了一条狭缝,而你硬说它同时通过两条狭缝,那么搞清我们俩谁对谁错不是很简单吗?我们只要在两道狭缝处都安装上某种仪器,让它在有粒子——或者波,不论是什么——通过时记录下来或者发出警报,那不就成了?这种仪器又不是复杂而不可制造的。要是两个警报器都响,那就说明它同时通过了两道缝。没说的,我当场向你投降,承认你的正统地位。但要是只有一个警报器响,你怎么说?”

波动用一种奇怪的眼光看着微粒,良久,它终于说:“不错,我们可以装上这种仪器。我承认,一旦我们试图测定电子究竟通过了哪条缝时,我们永远只会在其中的一处发现电子。两个仪器不会同时响。”

微粒放声大笑:“你早说不就得了?害得我们白费了这么多口水!怎么,这不就证明了,电子只可能是一个粒子,它每次只能通过一条狭缝吗?你还跟我唠叨个什么!”但是它渐渐发现气氛有点不对劲,终于它笑不出来了。

“怎么?”它瞪着波动说。

波动突然咧嘴一笑:“不错,每次我们只能在一条缝上测量到电子。但是,你要知道,一旦我们展开这种测量的时候,干涉条纹也就消失了……”

……

时间是1927年2月,哥本哈根仍然是春寒料峭,大地一片冰霜。玻尔坐在他的办公室里若有所思:粒子还是波呢?5个月前,薛定谔的那次来访还历历在目,整个哥本哈根学派为了应付这场硬仗,花了好些时间去钻研他的波动力学理论,但现在,玻尔突然觉得,这个波动理论非常出色啊。它简洁,明确,看起来并不那么坏。在写给赫维西(Hevesy)的信里,玻尔已经把它称作“一个美妙的理论”。尤其是有了波恩的概率解释之后,玻尔已经毫不犹豫地准备接受这一理论并把它当作量子论的基础了。

嗯,波动,波动。玻尔知道,海森堡现在对于这个词简直是条件反射似地厌恶。在他的眼里只有矩阵数学,谁要是跟他提起薛定谔的波他准得和谁急,连玻尔本人也不例外。事实上,由于玻尔态度的转变,使得向来亲密无间的哥本哈根派内部第一次产生了裂痕。海森堡……他在得知玻尔的意见后简直不敢相信自己的耳朵。现在,气氛已经闹得够僵了,玻尔为了不让事态恶化,准备离开丹麦去挪威度个长假。过去的1926年就是在无尽的争吵中度过的,那一整年玻尔只发表了一篇关于自旋的小文章,是时候停止争论了。

但是,粒子?波?那个想法始终在他脑中缠绕不去。

进来一个人,是他的另一位助手奥斯卡·克莱恩(Oskar Klein)。在过去的一年里他的成就斐然,他不仅成功地把薛定谔方程相对论化了,还在其中引进了“第五维度”的思想,这得到了老洛伦兹的热情赞扬。当然,谁都预料不到,这个思想在穿越了40年的时光后,将孕育出称为“超弦”的惊人果实来,我们在史话的最后再来谈论这个话题。

不管怎么说,克莱恩可算哥本哈根最熟悉量子波动理论的人之一了。有他助阵,玻尔更加相信,海森堡实在是持有一种偏见,波动理论是不可偏废的。

“要统一,要统一。”玻尔喃喃地说。克莱恩抬起头来看他:“您对波动理论是怎么想的呢?”

“波,电子无疑是个波。”玻尔肯定地说。

“哦,那样说来……”

“但是,”玻尔打断他,“它同时又不是个波。从BKS倒台以来,我就隐约地猜到了。”

克莱恩笑了:“您打算发表这一观点吗?”

“不,还不是时候。”

“为什么?”

玻尔叹了一口气:“克莱恩,我们的对手非常强大……我还没有准备好……”31
编辑于 2017-10-14

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