| 第八章 論戰(zhàn) 一 意大利北部的科莫市（Como）是一個美麗的小城，北臨風景勝地科莫湖，與米蘭相去不遠。它市中心那幾座著名的教堂洋溢著哥特式風格以及文藝復興時代的氣息，折射出這個國家那悠遠的歷史和文化沉淀。這個小城也有一支足球隊——科莫隊，在上個賽季（2002－2003）還打入了甲級聯(lián)賽，可惜現(xiàn)在又降級了。一度報道說，它對中國球員吳承瑛有興趣，想來對球迷不算陌生。 不過，科莫市最著名的人物，當然還是1745年出生于此的大科學家，亞里山德羅?伏打（Alessandro Volta）。他在電學方面的成就如此偉大，以致人們用他的名字來作為電壓的單位：伏特（volt）。伏打于1827年9月去世，被他的家鄉(xiāng)視為永遠的光榮和驕傲。他出世的地方被命名為伏打廣場，他的雕像自1839年起聳立于此。他的名字被用來命名教堂和科莫湖畔的燈塔，他的光輝照耀這個城鎮(zhèn)，給它帶來世界性的聲名。 斗轉(zhuǎn)星移，眨眼間已是1927，科學巨人已離開我們整整100周年。一向安靜寧謐的科莫忽然又熱鬧起來，新時代的科學大師們又聚集于此，在紀念先人的同時探討物理學的最新進展?？颇獣h邀請了當時幾乎所有的最杰出的物理學家，洵為盛會。赴會者包括玻爾、海森堡、普朗克、泡利、波恩、洛倫茲、德布羅意、費米、克萊默、勞厄、康普頓、魏格納、索末菲、德拜、馮諾依曼（當然嚴格說來此人是數(shù)學家）……遺憾的是，愛因斯坦和薛定諤都別有要務，未能出席。這兩位哥本哈根派主要敵手的缺席使得論戰(zhàn)的火花向后推遲了幾個月。同樣沒能趕到科莫的還有狄拉克和玻色。其中玻色的case頗為離奇：大會本來是邀請了他的，但是邀請信發(fā)給了“加爾各答大學物理系的玻色教授”。顯然這封信是寄給著名的S.N.玻色，也就是發(fā)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦統(tǒng)計的那個玻色，他和愛因斯坦還預測了有名的玻色-愛因斯坦凝聚現(xiàn)象。2001年，3位分別來自美國和德國的科學家因為以實驗證實了這一現(xiàn)象而獲得諾貝爾物理學獎。 不過在1927年，玻色早就離開了加爾各答去了達卡大學。但無巧不成書，加爾各答還有一個D.M.玻色。陰差陽錯之下，這個名不見經(jīng)傳的“玻色”就參加了眾星云集的科莫會議，也算是飯后的一大談資吧。 在準備科莫會議講稿的過程中，互補原理的思想進一步在玻爾腦中成型。他決定在這個會議上把這一大膽的思想披露出來。在準備講稿的同時，他還給Nature雜志寫短文以介紹這個發(fā)現(xiàn)，事情太多而時間倉促，最后搞得他手忙腳亂。在出發(fā)前的一剎那，他竟然找不到他的護照——這耽誤了幾個小時的火車。 但是，不管怎么樣，玻爾最后還是完成那長達8頁的講稿，并在大會上成功地作了發(fā)言。這個演講名為《量子公設(shè)和原子論的最近發(fā)展》，在其中玻爾第一次描述了波-粒的二象性，用互補原理詳盡地闡明我們對待原子尺度世界的態(tài)度。他強調(diào)了觀測的重要性，聲稱完全獨立和絕對的測量是不存在的。當然互補原理本身在這個時候還沒有完全定型，一直要到后來的索爾維會議它才算最終完成，不過這一思想現(xiàn)在已經(jīng)引起了人們的注意。 波恩贊揚了玻爾“中肯”的觀點，同時又強調(diào)了量子論的不確定性。他特別舉了波函數(shù)“坍縮”的例子，來說明這一點。這種“坍縮”顯然引起了馮諾伊曼的興趣，他以后會證明關(guān)于它的一些有趣的性質(zhì)。海森堡和克萊默等人也都作了評論。 當然我們也要指出的是，許多不屬于“哥本哈根派”的人物，對玻爾等人的想法和工作一點都不熟悉，這種互補原理對他們來說令人迷惑不解。許多人都以為這不過是一種文字游戲，是對大家都了解的情況“換一種說法”罷了。正如羅森菲爾德（Rosenfeld）后來在訪談節(jié)目中評論的：“這個互補原理只是對各人所清楚的情況的一種說明……科莫會議并沒有明確論據(jù)，關(guān)于概念的定義要到后來才作出。”尤金?魏格納（Eugene Wigner）總結(jié)道：“……（大家都覺得，玻爾的演講）沒能改變?nèi)魏稳岁P(guān)于量子論的理解方式。” 但科莫會議的歷史作用仍然不容低估，互補原理第一次公開亮相，標志著哥本哈根解釋邁出了關(guān)鍵的一步。不久出版了玻爾的講稿，內(nèi)容已經(jīng)有所改進，距離這個解釋的最終成熟只差最后一步了。 在哥本哈根派聚集力量的同時，他們的反對派也開始為最后的決戰(zhàn)做好準備。對于愛因斯坦來說，一個沒有嚴格因果律的物理世界是不可想象的。物理規(guī)律應該統(tǒng)治一切，物理學應該簡單明確：A導致了B，B導致了C，C導致了D。每一個事件都有來龍去脈，原因結(jié)果，而不依賴于什么“隨機性”。至于拋棄客觀實在，更是不可思議的事情。這些思想從他當年對待玻爾的電子躍遷的看法中，已經(jīng)初露端倪。1924年他在寫給波恩的信中堅稱：“我決不愿意被迫放棄嚴格的因果性，并將對其進行強有力的辯護。我覺得完全不能容忍這樣的想法，即認為電子受到輻射的照射，不僅它的躍遷時刻，而且它的躍遷方向，都由它自己的‘自由意志’來選擇。” 舊量子論已經(jīng)讓愛因斯坦無法認同，那么更加“瘋狂”的新量子論就更使他忍無可忍了。雖然愛因斯坦本人曾經(jīng)提出了光量子假設(shè)，在量子論的發(fā)展歷程中作出過不可磨滅的貢獻，但現(xiàn)在他卻完全轉(zhuǎn)向了這個新生理論的對立面。愛因斯坦堅信，量子論的基礎(chǔ)大有毛病，從中必能挑出點刺來，迫使人們回到一個嚴格的，富有因果性的理論中來。玻爾后來回憶說：“愛因斯坦最善于不拋棄連續(xù)性和因果性來標示表面上矛盾著的經(jīng)驗，他比別人更不愿意放棄這些概念。” 兩大巨頭未能在科莫會議上碰面，然而低頭不見抬頭見，命運已經(jīng)在冥冥中安排好了這樣的相遇不可避免。僅僅一個多月后，另一個歷史性的時刻就到來了，第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開。這一次，各路冤家對頭終于聚首一堂，就量子論的問題作一個大決戰(zhàn)。從黃金年代走來的老人，在革命浪潮中成長起來的反叛青年，經(jīng)典體系的莊嚴守護者，新時代的冒險家，這次終于都要作一個最終了斷。世紀大辯論的序幕即將拉開，像一場熊熊的大火燃燒不已，而量子論也將在這大火中接受最嚴苛的洗禮，鍛燒出更加璀璨的光芒來。 布魯塞爾見。 *********
飯后閑話：海森堡和德國原子彈計劃（一） 如果說玻爾-愛因斯坦之爭是二十世紀科學史上最有名的辯論，那么海森堡在二戰(zhàn)中的角色恐怕就是二十世紀科學史上最大的謎題。不知多少歷史學家為此費盡口水，牽涉到數(shù)不清的跨國界的爭論。甚至到現(xiàn)在，還有人不斷地提出異議。我打算在這一章的飯后閑話里專門地來談一談這個話題，這件事說來話長，可能要用掉一整章，我們還是廢話少說，這就開始吧。 納粹德國為什么沒能造出原子彈？戰(zhàn)后幾乎人人都在問這個問題。是政策上的原因？理論上的原因？技術(shù)上的原因？資源上的原因？或是道德上的原因？不錯，美國造出了原子彈，他們有奧本海默，有費米，有勞倫斯、貝特、西伯格、魏格納、查德威克、佩爾斯、弗里西、塞格雷，后來又有了玻爾，以致像費因曼這樣的小字輩根本就不起眼，而洛斯阿拉莫斯也被稱作“諾貝爾得獎者的集中營”。但德國一點也不差。是的，希特勒的猶太政策趕走了國內(nèi)幾乎一半的精英，納粹上臺的第一年，就有大約2600名學者離開了德國，四分之一的物理學家從德國的大學辭職而去，到戰(zhàn)爭前夕已經(jīng)有40％的大學教授失去了職位。是的，整個軸心國流失了多達27名諾貝爾獲獎者，其中甚至包括愛因斯坦、薛定諤、費米、波恩、泡利、德拜這樣最杰出的人物，這個數(shù)字還不算間接損失的如玻爾之類。但德國憑其驚人的實力仍保有對抗全世界的能力。 戰(zhàn)爭甫一爆發(fā)，德國就展開了原子彈的研究計劃。那時是1939年，全世界只有德國一家在進行這樣一個原子能的軍事應用項目。德國占領(lǐng)著世界上最大的鈾礦（在捷克斯洛伐克），德國有世界上最強大的化學工業(yè)，他們?nèi)匀粨碛惺澜缟献詈玫目茖W家，原子的裂變現(xiàn)象就是兩個德國人——奧托?哈恩（Otto Hahn）和弗里茲?斯特拉斯曼（Fritz Strassmann）在前一年發(fā)現(xiàn)的，這兩人都還在德國，哈恩以后會因此發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾化學獎。當然不止這兩人，德國還有勞厄（1914年諾貝爾物理）、波特（Bothe，1954諾貝爾物理）、蓋革（蓋革計數(shù)器的發(fā)明者，他進行了α散射實驗）、魏扎克（Karl von Weizsacker）、巴格（Erich Bagge）、迪布納（Kurt Diebner）、格拉赫（Walther Gerlach）、沃茲（Karl Wirtz）……當然，他們還有定海神針海森堡，這位20世紀最偉大的物理學家之一。所有的這些科學家都參與了希特勒的原子彈計劃，成為“鈾俱樂部”的成員之一，海森堡是這個計劃的總負責人。 然而，德國并沒能造出原子彈，它甚至連門都沒有入。從1942年起，德國似乎已經(jīng)放棄整個原子彈計劃，而改為研究制造一個能提供能源的原子核反應堆。主要原因是因為1942年6月，海森堡向軍備部長斯佩爾（Albert Speer）報告說，鈾計劃因為技術(shù)原因在短時間內(nèi)難以產(chǎn)出任何實際的結(jié)果，在戰(zhàn)爭期間造出原子彈是不大可能的。但他同時也使斯佩爾相信，德國的研究仍處在領(lǐng)先的地位。斯佩爾將這一情況報告希特勒，當時由于整個戰(zhàn)場情況的緊迫，德國的研究計劃被迫采取一種急功近利的方略，也就是不能在短時間，確切地說是六周內(nèi)見效的計劃都被暫時放在一邊。希特勒和斯佩爾達成一致意見：對原子彈不必花太大力氣，不過既然在這方面仍然“領(lǐng)先”，也不妨繼續(xù)撥款研究下去。當時海森堡申請附加的預算只有寥寥35萬帝國馬克，有它無它都影響不大。 這個計劃在被高層放任了近2年后，終于到1944年又為希姆萊所注意到。他下令大力撥款，推動原子彈計劃的前進，并建了幾個新的鈾工廠。計劃確實有所進展，不過到了那時，全德國的工業(yè)早已被盟軍的轟炸破壞得體無完膚，難以進一步支撐下去。而且為時也未免太晚，不久德國就投降了。 1942年的報告是怎么一回事？海森堡在其中扮演了一個什么樣的角色？這答案撲朔迷離，歷史學家們各執(zhí)一詞，要不是新證據(jù)的逐一披露，恐怕人們至今仍然在云里霧中。這就是科學史上有名的“海森堡之謎”。 二 索爾維會議是由一位比利時的實業(yè)家Ernest Solvay創(chuàng)立的，并以他的名字命名。第一屆索爾維會議于1911年在布魯塞爾召開，后來雖然一度被第一次世界大戰(zhàn)所打斷，但從1921年開始又重新恢復，定期3年舉行一屆。到了1927年，這已經(jīng)是第五屆索爾維會議了，也許，這也將是最著名的一次索爾維會議。 這次會議彌補了科莫的遺憾，愛因斯坦，薛定諤等人都如約而至。目前流傳得最廣的那張“物理學全明星夢之隊”的照片，就是這次會議的合影。當然世事無完美，硬要挑點缺陷，那就是索末菲和約爾當不在其中，不過我們要求不能太高了，人生不如意者還是十有八九的。 這次會議從10月24日到29日，為期6天。主題是“電子和光子”（我們還記得，“光子-photon”是個新名詞，它剛剛在1926年由美國人劉易斯所提出），會議議程如下：首先勞倫斯?布拉格作關(guān)于X射線的實驗報告，然后康普頓報告康普頓實驗以及其和經(jīng)典電磁理論的不一致。接下來，德布羅意作量子新力學的演講，主要是關(guān)于粒子的德布羅意波。隨后波恩和海森堡介紹量子力學的矩陣理論，而薛定諤介紹波動力學。最后，玻爾在科莫演講的基礎(chǔ)上再次做那個關(guān)于量子公設(shè)和原子新理論的報告，進一步總結(jié)互補原理，給量子論打下整個哲學基礎(chǔ)。這個議程本身簡直就是量子論的一部微縮史，從中可以明顯地分成三派：只關(guān)心實驗結(jié)果的實驗派：布拉格和康普頓；哥本哈根派：玻爾、波恩和海森堡；還有哥本哈根派的死敵：德布羅意，薛定諤，以及坐在臺下的愛因斯坦。 會議的氣氛從一開始便是火熱的，像拳王爭霸賽一樣，重頭戲到來之前先有一系列的墊賽：大家先就康普頓的實驗做了探討，然后各人分成了涇渭分明的陣營，互相炮轟。德布羅意一馬當先做了發(fā)言，他試圖把粒子融合到波的圖像里去，提出了一種“導波”（pivot wave）的理論，認為粒子是波動方程的一個奇點，它必須受波的控制和引導。泡利站起來狠狠地批評這個理論，他首先不能容忍歷史車輪倒轉(zhuǎn)，回到一種傳統(tǒng)圖像中，然后他引了一系列實驗結(jié)果來反駁德布羅意。眾所周知，泡利是世界第一狙擊手，誰要是被他盯上了多半是沒有好下場的，德布羅意最后不得不公開聲明放棄他的觀點。幸好薛定諤大舉來援，不過他還是堅持一個非常傳統(tǒng)的解釋，這連盟軍德布羅意也覺得不大滿意，泡利早就嘲笑薛定諤為“幼稚”。波恩和海森堡躲在哥本哈根掩體后面對其開火，他們在報告最后說：“我們主張，量子力學是一種完備的理論，它的基本物理假說和數(shù)學假設(shè)是不能進一步修改的。”他們也集中火力猛烈攻擊了薛定諤的“電子云”，后者認為電子的確在空間中實際地如波般擴散開去。海森堡評論說：“我從薛定諤的計算中看不到任何東西可以證明事實如同他所希望的那樣。”薛定諤承認他的計算確實還不太令人滿意，不過他依然堅持，談論電子的軌道是“胡扯”（應該是波本征態(tài)的疊加），波恩回敬道：“不，一點都不是胡扯。”在一片硝煙中，會議的組織者，老資格的洛倫茲也發(fā)表了一些保守的觀點，and so on and so on…… 愛因斯坦一開始按兵不動，保持著可怕的沉默，不過當波恩提到他的名字后，他終于忍不住出擊了。他提出了一個模型：一個電子通過一個小孔得到衍射圖像。愛因斯坦指出，目前存在著兩種觀點，第一是說這里沒有“一個電子”，只有“一團電子云”，它是一個空間中的實在，為德布羅意-薛定諤波所描述。第二是說的確有一個電子，而ψ是它的“幾率分布”，電子本身不擴散到空中，而是它的幾率波。愛因斯坦承認，觀點II是比觀點I更加完備的，因為它整個包含了觀點I。盡管如此，愛因斯坦仍然說，他不得不反對觀點II。因為這種隨機性表明，同一個過程會產(chǎn)生許多不同的結(jié)果，而且這樣一來，感應屏上的許多區(qū)域就要同時對電子的觀測作出反應，這似乎暗示了一種超距作用，從而違背相對論。 風云變幻，龍虎交濟，現(xiàn)在兩大陣營的幕后主將終于都走到臺前，開始進行一場決定命運的單挑?？上У氖?，玻爾等人的原始討論記錄沒有官方資料保存下來，對當時情景的重建主要依靠幾位當事人的回憶。這其中有玻爾本人1949年為慶祝愛因斯坦70歲生日而應邀撰寫的《就原子物理學中的認識論問題與愛因斯坦進行的商榷》長文，有海森堡、德布羅意和埃侖菲斯特的回憶和信件等等。當時那一場激戰(zhàn)，討論的問題中有我們已經(jīng)描述過的那個電子在雙縫前的困境：如何選擇它的路徑以及快速地關(guān)閉/打開一條狹縫對電子產(chǎn)生的影響。還有許許多多別的思維實驗。埃侖費斯特在寫給他那些留守在萊登的弟子們（烏侖貝特和古德施密特等）的信中描述說：愛因斯坦像一個彈簧玩偶，每天早上都帶著新的主意從盒子里彈出來，而玻爾則從云霧繚繞的哲學中找到工具，把對方所有的論據(jù)都一一碾碎。 海森堡1967年的回憶則說： “討論很快就變成了一場愛因斯坦和玻爾之間的決斗：當時的原子理論在多大程度上可以看成是討論了幾十年的那些困難的最終答案呢？我們一般在旅館用早餐時就見面了，于是愛因斯坦就描繪一個思維實驗，他認為從中可以清楚地看出哥本哈根解釋的內(nèi)部矛盾。然后愛因斯坦，玻爾和我便一起走去會場，我就可以現(xiàn)場聆聽這兩個哲學態(tài)度迥異的人的討論，我自己也常常在數(shù)學表達結(jié)構(gòu)方面插幾句話。在會議中間，尤其是會間休息的時候，我們這些年輕人——大多數(shù)是我和泡利——就試著分析愛因斯坦的實驗，而在吃午飯的時候討論又在玻爾和別的來自哥本哈根的人之間進行。一般來說玻爾在傍晚的時候就對這些理想實驗完全心中有數(shù)了，他會在晚餐時把它們分析給愛因斯坦聽。愛因斯坦對這些分析提不出反駁，但在心里他是不服氣的。” 愛因斯坦當然是不服氣的，他如此虔誠地信仰因果律，以致決不能相信哥本哈根那種憤世嫉俗的概率解釋。玻爾回憶說，愛因斯坦有一次嘲弄般地問他，難道他真的相信上帝的力量要依靠擲骰子（ob der liebe Gott würfelt）？ 上帝不擲骰子！這已經(jīng)不是愛因斯坦第一次說這話了。早在1926年寫給波恩的信里，他就說：“量子力學令人印象深刻，但是一種內(nèi)在的聲音告訴我它并不是真實的。這個理論產(chǎn)生了許多好的結(jié)果，可它并沒有使我們更接近‘老頭子’的奧秘。我毫無保留地相信，‘老頭子’是不擲骰子的。” “老頭子”是愛因斯坦對上帝的昵稱。 然而，1927年這場華山論劍，愛因斯坦終究輸了一招。并非劍術(shù)不精，實乃內(nèi)力不足。面對浩浩蕩蕩的歷史潮流，他頑強地逆流而上，結(jié)果被沖刷得站立不穩(wěn)，苦苦支撐。1927年，量子革命的大爆發(fā)已經(jīng)進入第三年，到了一個收官的階段。當年種下的種子如今開花結(jié)果，革命的思潮已經(jīng)席卷整個物理界，毫無保留地指明了未來的方向。越來越多的人終究領(lǐng)悟到了哥本哈根解釋的核心奧義，并誠心皈依，都投在量子門下。愛因斯坦非但沒能說服玻爾，反而常常被反駁得說不出話來，而且他這個“反動”態(tài)度引得了許多人扼腕嘆息。遙想當年，1905，愛因斯坦橫空出世，一年之內(nèi)六次出手，每一役都打得天搖地動，驚世駭俗，獨自創(chuàng)下了一番轟轟烈烈的事業(yè)。當時少年意氣，睥睨群雄，揚鞭策馬，笑傲江湖，這一幅傳奇畫面在多少人心目中留下了永恒的神往！可是，當年那個最反叛，最革命，最不拘禮法，最蔑視權(quán)威的愛因斯坦，如今竟然站在新生量子論的對立面！ 波恩哀嘆說：“我們失去了我們的領(lǐng)袖。” 埃倫費斯特氣得對愛因斯坦說：“愛因斯坦，我為你感到臉紅！你把自己放到了和那些徒勞地想推翻相對論的人一樣的位置上了。” 愛因斯坦這一仗輸?shù)美仟N，玻爾看上去沉默駑鈍，可是重劍無鋒，大巧不工，在他一生中幾乎沒有輸過哪一場認真的辯論。哥本哈根派和它對量子論的解釋大獲全勝，海森堡在寫給家里的信中說：“我對結(jié)果感到非常滿意，玻爾和我的觀點被廣泛接受了，至少沒人提得出嚴格的反駁，即使愛因斯坦和薛定諤也不行。”多年后他又總結(jié)道：“剛開始（持有這種觀點的）主要是玻爾，泡利和我，大概也只有我們?nèi)齻€，不過它很快就擴散開去了。” 但是愛因斯坦不是那種容易被打敗的人，他逆風而立，一頭亂發(fā)掩不住眼中的堅決。他身后還站著兩位，一個是德布羅意，一個是薛定諤。三人吳帶凌風，衣袂飄飄，在量子時代到來的曙光中，大有長鋏寒瑟，易水蕭蕭，誓與經(jīng)典理論共存亡的悲壯氣慨。 時光荏苒，一彈指又是三年，各方俊杰又重聚布魯塞爾，會面于第六屆索爾維會議。三年前那一戰(zhàn)已成往事，這第二次華山論劍，又不知誰勝誰負？ *********
飯后閑話：海森堡和德國原子彈計劃（二） 1944年，盟軍在諾曼底登陸，形成兩面夾攻之勢。到1945年4月，納粹德國大勢已去，歐洲戰(zhàn)場戰(zhàn)斗的結(jié)束已經(jīng)近在眼前。擺在美國人面前的任務現(xiàn)在是盡可能地搜羅德國殘存的科學家和設(shè)備儀器，不讓他們落到別的國家手里（蘇聯(lián)不用說，法國也不行）。和蘇聯(lián)人比賽看誰先攻占柏林是無望的了，他們轉(zhuǎn)向南方，并很快俘獲了德國鈾計劃的科學家們，繳獲了大部分資料和設(shè)備。不過那時候海森堡已經(jīng)提前離開逃回厄菲爾德（Urfeld）的家中，這個地方當時還在德國人手里，但為了得到海森堡這個“第一目標”，盟軍派出一支小分隊，于5月3日，也就是希特勒夫婦自殺后的第四天，到海森堡家中抓住了他。這位科學家倒是表現(xiàn)得頗有風度，他禮貌地介紹自己的妻子和孩子們，并問那些美國大兵，他們覺得德國的風景如何。到了5月7日，德國便投降了。 10位德國最有名的科學家被秘密送往英國，關(guān)在劍橋附近的一幢稱為“農(nóng)園堂”（Farm Hall）的房子里。他們并不知道這房子里面裝滿了竊聽器，他們在此的談話全部被錄了音并記錄下來，我們在后面會談到這些關(guān)鍵性的記錄。8月6日晚上，廣島原子彈爆炸的消息傳來，這讓每一個人都驚得目瞪口呆。關(guān)于當時的詳細情景，我們也會在以后講到。 戰(zhàn)爭結(jié)束后，這些科學家都被釋放了。但現(xiàn)在不管是專家還是公眾，都對德國為什么沒能造出原子彈大感興趣。以德國科學家那一貫的驕傲，承認自己技不如人是絕對無法接受的。還在監(jiān)禁期間，廣島之后的第三天，海森堡等人便起草了一份備忘錄，聲稱：1.原子裂變現(xiàn)象是德國人哈恩和斯特拉斯曼在1938年發(fā)現(xiàn)的。2.只有到戰(zhàn)爭爆發(fā)后，德國才成立了相關(guān)的研究小組。但是從當時的德國來看并無可能造出一顆原子彈，因為即使技術(shù)上存在著可能性，仍然有資源不足的問題，特別是需要更多的重水。 返回德國后，海森堡又起草了一份更詳細的聲明。大致是說，德國小組早就意識到鈾235可以作為反應堆或者炸彈來使用，但是從天然鈾中分離出稀少的同位素鈾235卻是一件極為困難的事情。（*這里補充一下原子彈的常識：當一個中子轟擊容易分裂的鈾235原子核時，會使它裂成兩半，同時放出更多的中子去進一步轟擊別的原子核。這樣就引起一連串的連鎖反應，在每次分裂時都放出大量能量，便是通常說的“鏈式反應”。但只有鈾235是不穩(wěn)定而容易裂變的，它的同位素鈾238則不是，所以必須提高鈾235的濃度才能引發(fā)可持續(xù)的反應，不然中子就都被鈾238吸收了。但天然鈾中鈾238占了99％以上，所以要把那一點鈾235分離出來，這在當時的技術(shù)來說是極困難的。） 海森堡說，分離出足夠的鈾235需要大量的資源和人力物力，這項工作在戰(zhàn)爭期間是難以完成的。德國科學家也意識到了另一種可能的方法，那就是說，雖然鈾238本身不能分裂，但它吸收中子后會衰變成另一種元素——钚。而這種元素和鈾235一樣，是可以形成鏈式反應的。不過無論如何，前提是要有一個原子反應堆，制造原子的反應堆需要中子減速劑。一種很好的減速劑是重水，但對德國來說，唯一的重水來源是在挪威的一個工廠，這個工廠被盟軍的特遣隊多次破壞，不堪使用。 總而言之，海森堡的潛臺詞是，德國科學家和盟國科學家在理論和技術(shù)上的優(yōu)勢是相同的。但是因為德國缺乏相應的資源，因此德國人放棄了這一計劃。他聲稱一直到1942年以前，雙方的進展還“基本相同”，只不過由于外部因素的影響，德國認為在戰(zhàn)爭期間沒有條件（而不是沒有理論能力）造出原子彈，因此轉(zhuǎn)為反應堆能源的研究。 海森堡聲稱，德國的科學家一開始就意識到了原子彈所引發(fā)的道德問題，這樣一種如此大殺傷力的武器使他們也意識到對人類所負有的責任。但是對國家（不是納粹）的義務又使得他們不得不投入到工作中去。不過他們心懷矛盾，消極怠工，并有意無意地夸大了制造的難度，因此在1942年使得高層相信原子彈并沒有實際意義。再加上外部環(huán)境的惡化使得實際制造成為不可能，這讓德國科學家松了一口氣，因為他們不必像悲劇中的安提戈涅，親自來作出這個道德上兩難的決定了。 這樣一來，德國人的科學優(yōu)勢得以保持，同時又捍衛(wèi)了一種道德地位。兩全其美。 這種說法惹火了古德施密特，他戰(zhàn)時是曼哈頓計劃的重要領(lǐng)導人，本來也是海森堡的好朋友。他認為說德國人和盟國一樣地清楚原子彈的技術(shù)原理和關(guān)鍵參數(shù)是胡說八道。1942年海森堡報告說難以短期制造出原子彈，那是因為德國人算錯了參數(shù)，他們真的相信不可能造出它，而不是什么虛與委蛇，更沒有什么消極。古德施密特地位特殊，手里掌握著許多資料，包括德國自己的秘密報告，他很快寫出一本書叫做ALSOS，主要是介紹曼哈頓計劃的過程，但同時也匯報德國方面的情況。海森堡怎肯茍同，兩人在Nature雜志和報紙上公開辯論，斷斷續(xù)續(xù)地打了好多年筆仗，最后私下講和，不了了之。 雙方各有支持者?！都~約時報》的通訊記者Kaempffert為海森堡辯護，說了一句引起軒然大波的話：“說謊者得不了諾貝爾獎！”言下之意自然是說古德施密特說謊。這滋味對于后者肯定不好受，大家知道古德施密特是電子自旋的發(fā)現(xiàn)者之一，以如此偉大發(fā)現(xiàn)而終究未獲諾貝爾獎，很多人是鳴不平的。ALSOS的出版人舒曼（Schuman）當真寫信給愛因斯坦，問“諾貝爾得獎者真的不說謊？”愛因斯坦只好回信說：“說謊是得不了諾貝爾的，但也不能排除有些幸運者會在壓力下在特定的場合可能說謊。” 愛因斯坦大概想起了勒納德和斯塔克，兩位貨真價實的諾貝爾得主，為了狂熱的納粹信仰而瘋狂攻擊他和相對論，這情景猶然在眼前呢。 三 花開花落，黃葉飄零，又是秋風季節(jié)，第六屆索爾維會議在布魯塞爾召開了。玻爾來到會場時心中惴惴，看愛因斯坦表情似笑非笑，吃不準他三年間練成了什么新招，不知到了一個什么境界。不過玻爾倒也不是太過擔心，量子論的興起已經(jīng)是板上釘釘?shù)氖聦?，現(xiàn)在整個體系早就站穩(wěn)腳跟，枝繁葉茂地生長起來。愛因斯坦再厲害，憑一人之力也難以撼動它的根基。玻爾當年的弟子們，海森堡，泡利等，如今也都是獨當一面的大宗師了，哥本哈根派名震整個物理界，玻爾自信吃不了大虧。 愛因斯坦則在盤算另一件事：量子論方興未艾，當其之強，要打敗它的確太難了?？墒请y道因果律和經(jīng)典理論就這么完了不成？不可能，量子論一定是錯的！嗯，想來想去，要破量子論，只有釜底抽薪，擊潰它的基礎(chǔ)才行。愛因斯坦憑著和玻爾交手的經(jīng)驗知道，在細節(jié)問題上是爭不出個什么所以然的，量子論就像神話中那個九頭怪蛇海德拉（Hydra），你砍掉它一個頭馬上會再生一個出來。必須得瞄準最關(guān)鍵的那一個頭才行，這個頭就是其精髓所在——不確定性原理！ 愛因斯坦站起來發(fā)話了： 想象一個箱子，上面有一個小孔，并有一道可以控制其開閉的快門，箱子里面有若干個光子。好，假設(shè)快門可以控制得足夠好，它每次打開的時間是如此之短，以致于每次只允許一個光子從箱子里飛到外面。因為時間極短，△t是足夠小的。那么現(xiàn)在箱子里少了一個光子，它輕了那么一點點，這可以用一個理想的稱測量出來。假如輕了△m吧，那么就是說飛出去的光子重m，根據(jù)相對論的質(zhì)能方程E=mc^2，可以精確地算出減少的能量△E。 那么，△E和△t都很確定，海森堡的公式△E×△t > h/2π也就不成立。所以整個量子論是錯誤的！ 這可以說是愛因斯坦凝聚了畢生功夫的一擊，其中還包含了他的成名絕技相對論。這一招如白虹貫日，直中要害，沉穩(wěn)老辣，干凈漂亮。玻爾對此毫無思想準備，他大吃一驚，一時想不出任何反擊的辦法。據(jù)目擊者說，他變得臉如死灰，呆若木雞（不是比喻?。?，張口結(jié)舌地說不出話來。一整個晚上他都悶悶不樂，搜腸刮肚，苦思冥想。 羅森菲爾德后來描述說： “（玻爾）極力游說每一個人，試圖使他們相信愛因斯坦說的不可能是真的，不然那就是物理學的末日了。但是他想不出任何反駁來。我永遠不會忘記兩個對手離開會場時的情景：愛因斯坦的身影高大莊嚴，帶著一絲嘲諷的笑容，靜悄悄地走了出去。玻爾跟在后面一路小跑，他激動不已，詞不達意地辯解說要是愛因斯坦的裝置真的管用，物理學就完蛋了。” 這一招當真如此淳厚完美，無懈可擊？玻爾在這關(guān)鍵時刻力挽滄海，方顯英雄本色。他經(jīng)過一夜苦思，終于想出了破解此招的方法，一個更加妙到巔毫的巧招。 羅森菲爾德接著說： “第二天早上，玻爾的勝利便到來了。物理學也得救了。” 玻爾指出：好，一個光子跑了，箱子輕了△m。我們怎么測量這個△m呢？用一個彈簧稱，設(shè)置一個零點，然后看箱子位移了多少。假設(shè)位移為△q吧，這樣箱子就在引力場中移動了△q的距離，但根據(jù)廣義相對論的紅移效應，這樣的話時間的快慢也要隨之改變相應的△T。可以根據(jù)公式計算出：△T>h/△mc^2。再代以質(zhì)能公式△E=△mc^2，則得到最終的結(jié)果，這結(jié)果是如此眼熟：△T△E > h，正是海森堡測不準關(guān)系！ 我們可以不理會數(shù)學推導，關(guān)鍵是愛因斯坦忽略了廣義相對論的紅移效應！引力場可以使原子頻率變低，也就是紅移，等效于時間變慢。當我們測量一個很準確的△m時，我們在很大程度上改變了箱子里的時鐘，造成了一個很大的不確定的△T。也就是說，在愛因斯坦的裝置里，假如我們準確地測量△m，或者△E時，我們就根本沒法控制光子逃出的時間T！ 廣義相對論本是愛因斯坦的獨門絕技，玻爾這一招“以彼之道，還施彼身”不但封擋住了愛因斯坦那雷霆萬鈞的一擊，更把這諸般招數(shù)都回加到了他自己身上。雖說是殫精竭慮最后想出此法，但招數(shù)精奇，才氣橫溢，教人擊節(jié)嘆服，大開眼界。覺得見證兩大縱世奇才出全力相拚，實在不虛此行。 現(xiàn)在輪到愛因斯坦自己說不出話來了。難道量子論當真天命所歸，嚴格的因果性當真已經(jīng)遲遲老去，不再屬于這個叛逆的新時代？玻爾是最堅決的革命派，他的思想閎廓深遠，窮幽極渺，卻又如大江奔流，浩浩蕩蕩，翻騰不息。物理學的未來只有靠量子，這個古怪卻又強大的精靈去開拓。新世界不再有因果性，不再有實在性，可能讓人覺得不太安全，但它卻是那樣胸懷博大，氣派磅礴，到處都有珍貴的寶藏和激動人心的秘密等待著人們?nèi)グl(fā)掘。狄拉克后來有一次說，自海森堡取得突破以來，理論物理進入了前所未有的黃金年代，任何一個二流的學生都可能在其中作出一流的發(fā)現(xiàn)。是的，人們應當毫不畏懼地走進這樣一個生機勃勃的，充滿了艱險、挑戰(zhàn)和無上光榮的新時代中來，把過時的因果性做成一個紀念物，裝飾在泛黃的老照片上去回味舊日的似水年華。 革命！前進！玻爾在大會上又開始顯得精神抖擻，豪氣萬丈。愛因斯坦的這個光箱實驗非但沒能擊倒量子論，反而成了它最好的證明，給它的光輝又添上了濃重的一筆?，F(xiàn)在沒什么好懷疑的了，因果性是不存在的，哥本哈根解釋如野火一般在人們的思想中蔓延開來。玻爾是這場革命的旗手，他慷慨陳詞，就像當年在議會前的羅伯斯庇爾。要是可能的話，他大概真想來上這么一句： 因果性必須死，因為物理學需要生！ 停止爭論吧，上帝真的擲骰子！隨機性是世界的基石，當電子出現(xiàn)在這里時，它是一個隨機的過程，并不需要有誰給它加上難以忍受的條條框框。全世界的粒子和波現(xiàn)在都得到了解放，從牛頓和麥克斯韋寫好的劇本中掙扎出來，大口地呼吸自由空氣。它們和觀測者玩捉迷藏，在他們背后融化成概率波彌散開去，神秘地互相滲透和干涉。當觀測者回過頭去尋找它們，它們又快樂地現(xiàn)出原型，呈現(xiàn)出一個面貌等候在那里。這種游戲不致于過火，因為還有波動方程和不確定原理在起著規(guī)則的作用。而統(tǒng)計規(guī)律則把微觀上的無法無天抹平成為宏觀上的井井有條。 愛因斯坦失望地看著這個場面，發(fā)展到如此地步實在讓他始料不及。沒有因果性，一片混亂……恐怕約翰?米爾頓描繪的那個“群魔殿”（Pandemonium）就是這個樣子吧？愛因斯坦對玻爾已經(jīng)兩戰(zhàn)兩敗，他現(xiàn)在知道量子論的根基比想象的要牢固得多。看起來，量子論不太可能是錯誤的，或者自相矛盾的。 但愛因斯坦也決不會相信它代表了真相。好吧，量子論內(nèi)部是沒有矛盾的，但它并不是一幅“完整”的圖像。我們看到的量子論，可能只是管中窺豹，雖然看到了真實的一部分，但仍然有更多的“真實”未能發(fā)現(xiàn)。一定有一些其他的因素，它們雖然不為我們所見，但無疑對電子的行為有著影響，從而嚴格地決定了它們的行為。好比我們在賭場扔骰子賭錢，雖然我們睜大眼睛看明白四周一切，確定沒人作弊，但的確可能還有一個暗中的武林高手，憑借一些獨門手法比如說吹氣來影響骰子的結(jié)果。雖然我們水平不行，發(fā)現(xiàn)不了這個武林高手的存在，覺得骰子是完全隨機的，但事實上不是！它是完全人為的，如果把這個隱藏的高手也考慮進去，它是有嚴格因果關(guān)系的！盡管單單從我們看到的來講，也沒有什么互相矛盾，但一幅“完整”的圖像應該包含那個隱藏著的人，這個人是一個“隱變量”！ 不管怎么說，因果關(guān)系不能拋棄！愛因斯坦的信念到此時幾乎變成一種信仰了，他已決定終生為經(jīng)典理論而戰(zhàn)，這不知算是科學的悲劇還是收獲。一方面，那個大無畏的領(lǐng)路人，那個激情無限的開拓者永遠地從歷史上消失了。亞伯拉罕?帕斯（Abraham Pais）在《愛因斯坦曾住在這里》一書中說，就算1925年后，愛因斯坦改行釣魚以度過余生，這對科學來說也沒什么損失。但另一方面，愛因斯坦對量子論的批評和詰問也確實使它時時三省吾身，冷靜地審視和思考自己存在的意義，并不斷地在斗爭中完善自己。大概可算一種反面的激勵吧？ 反正他不久又要提出一個新的實驗，作為對量子論的進一步考驗?？蓱z的玻爾得第三次接招了。 *********
飯后閑話：海森堡和德國原子彈計劃（三） 玩味一下海森堡的聲明是很有意思的：討厭納粹和希特勒，但忠實地執(zhí)行對祖國的義務，作為國家機器的一部分來履行愛國的職責。這聽起來的確像一幅典型的德國式場景。服從，這是德國文化的一部分，在英語世界的人們看來，對付一個邪惡的政權(quán)，符合道德的方式是不與之合作甚至摧毀它，但對海森堡等人來說，符合道德的方式是服從它——正如他以后所說的那樣，雖然納粹占領(lǐng)全歐洲不是什么好事，但對一個德國人來說，也許要好過被別人占領(lǐng)，一戰(zhàn)后那種慘痛的景象已經(jīng)不堪回首。 原子彈，對于海森堡來說，是“本質(zhì)上”邪惡的，不管它是為希特勒服務，還是為別的什么人服務。戰(zhàn)后在西方科學家中有一種對海森堡的普遍憎惡情緒。當海森堡后來訪問洛斯阿拉莫斯時，那里的科學家拒絕同其握手，因為他是“為希特勒制造原子彈的人”。這在海森堡看來是天大的委屈，他不敢相信，那些“實際制造了原子彈的人”竟然拒絕與他握手！也許在他心中，盟軍的科學家比自己更加應該在道德上加以譴責。但顯然在后者看來，只有為希特勒制造原子彈才是邪惡，如果以消滅希特勒和法西斯為目的而研究這種武器，那是非常正義和道德的。 這種道德觀的差異普遍存在于雙方陣營之中。魏扎克曾經(jīng)激動地說：“歷史將見證，是美國人和英國人造出了一顆炸彈，而同時德國人——在希特勒政權(quán)下的德國人——只發(fā)展了鈾引擎動力的和平研究。”這在一個美國人看來，恐怕要噴飯。 何況在許多人看來，這種聲明純粹是馬后炮。要是德國人真的造得出來原子彈，恐怕倫敦已經(jīng)從地球上消失了，也不會羅里羅嗦地講這一大通風涼話。不錯，海森堡肯定在1940年就意識到鈾炸彈是可能的，但這不表明他確切地知道到底怎么去制造??！海森堡在1942年意識到以德國的環(huán)境來說分離鈾235十分困難，但這不表明他確切地知道到底要分離“多少”鈾235??！事實上，許多證據(jù)表明，海森堡非常錯誤地估計了工程量，為了維持鏈式反應，必須至少要有一個最小量的鈾235才行，這個質(zhì)量叫做“臨界質(zhì)量”（critical mass），海森堡——不管他是真的算錯還是假裝不知——在1942年認為至少需要幾噸的鈾235才能造出原子彈！事實上，只要幾十千克就可以了。 誠然，即使只分離這么一點點鈾235也是非常困難的。美國動用了15000人，投資超過20億美元才完成整個曼哈頓計劃。而德國整個只有100多人在搞這事，總資金不過百萬馬克左右，這簡直是笑話。但這都不是關(guān)鍵，關(guān)鍵是，海森堡到底知不知道準確的數(shù)字？如果他的確有一個準確數(shù)字的概念，那么雖然這德國來說仍然是困難的，但至少不是那樣的遙不可及，難以克服。英國也同樣困難，但他們知道準確的臨界質(zhì)量數(shù)字，于是仍然上馬了原子彈計劃。 海森堡爭辯說，他對此非常清楚，他引用了許多證據(jù)說明在與斯佩爾會面前他的確知道準確的數(shù)字?？上淖C據(jù)全都模糊不清，無法確定。德國的報告上的確說一個炸彈可能需要10－100千克，海森堡也描繪過一個“菠蘿”大小的炸彈，這被許多人看作證明。然而這些全都是指钚炸彈，而不是鈾235炸彈。這些數(shù)字不是證明出來的，而是猜測的，德國根本沒有反應堆來大量生產(chǎn)钚。德國科學家們在許多時候都流露出這樣的印象，鈾炸彈至少需要幾噸的鈾235。 不過當然你也可以從反方面去理解，海森堡故意隱瞞了數(shù)字，只有天知地知他一個人知。他一手造成夸大了的假相。 至于反應堆，其實石墨也可以做很好的減速劑，美國人就是用的石墨?？墒钱敃r海森堡委派波特去做實驗，他的結(jié)果錯了好幾倍，顯示石墨不適合用在反應堆中，于是德國人只好在重水這一棵樹上吊死。這又是一個懸案，海森堡把責任推到波特身上，說他用的石墨不純，因此導致了整個計劃失敗。波特是非常有名的實驗物理學家，后來也得了諾貝爾獎，這個黑鍋如何肯背。他給海森堡寫信，暗示說石墨是純的，而且和理論相符合！如果說實驗錯了，那還不如說理論錯了，理論可是海森堡負責的。在最初的聲明中海森堡被迫撤回了對波特的指責，但在以后的歲月中，他，魏扎克，沃茲等人仍然不斷地把波特拉進來頂罪。目前看來，德國人當年無論是理論還是實驗上都錯了。 對這一公案的爭論逐漸激烈起來，最有影響的幾本著作有：Robert Jungk的《比一千個太陽更明亮》（Brighter Than a Thousand Sunds，1956），此書贊揚了德國科學家那高尚的道義，在戰(zhàn)時不忘人類公德，雖然洞察原子彈的奧秘，卻不打開這潘多拉盒子。1967年David Irving出版了《德國原子彈計劃》（The German Atomic Bomb），此時德國當年的秘密武器報告已經(jīng)得見天日，給作品帶來了豐富的資料。Irving雖然不認為德國科學家有吹噓的那樣高尚的品德，但他仍然相信當年德國人是清楚原子彈技術(shù)的。然后是Margaret Gowing那本關(guān)于英國核計劃的歷史，里面考證說德國人當年在一些基本問題上錯得離譜，這讓海森堡本人非常惱火。他說：“（這本書）大錯特錯，每一句都是錯的，完全是胡說八道。”他隨后出版了著名的自傳《物理和物理之外》（Physics and Beyond），自然再次地強調(diào)了德國人的道德和科學水平。凡是當年和此事有點關(guān)系的人都紛紛發(fā)表評論意見，眾說紛紜，有如聚訟，誰也沒法說服對方。 1989年，楊振寧在上海交大演講的時候還說：“……很好的海森堡傳記至今還沒寫出，而已有的傳記對這件事是語焉不詳?shù)?#8230;…這是一段非常復雜的歷史，我相信將來有人會寫出重要的有關(guān)海森堡的傳記。” 幸運的是，從那時起到今天，事情總算是如其所愿，有了根本性的變化。 四 愛因斯坦沒有出席1933年第七屆索爾維會議，他被納粹德國逼得離開家鄉(xiāng)，流落異國，憂郁地思索著歐洲那悲慘的未來。另一方面，這屆索爾維會議的議題也早就不是量子論本身，而換成了另一個激動人心的話題：爆炸般發(fā)展的原子物理。不過這個領(lǐng)域里的成就當然也是在量子論的基礎(chǔ)上取得的，而量子力學的基本形式已經(jīng)確定下來，成為物理學的基礎(chǔ)。似乎是塵埃落定，沒什么人再懷疑它的力量和正確性了。 在人們的一片樂觀情緒中，愛因斯坦和薛定諤等寥寥幾人愈加顯得孤獨起來。薛定諤和德布羅意參加了1933年索爾維會議，卻都沒有發(fā)言，也許是他們對這一領(lǐng)域不太熟悉的緣故吧。新新人類們在激動地探討物質(zhì)的產(chǎn)生和湮滅、正電子、重水、中子……那樣多的新發(fā)現(xiàn)讓人眼花繚亂，根本忙不過來。而愛因斯坦他們現(xiàn)在還能做什么呢？難道他們的思想真的已經(jīng)如此過時，以致跟不上新時代那飛一般的步伐了嗎？ 1933年9月25日，埃侖費斯特在荷蘭萊登槍殺了他那患有智力障礙的兒子，然后自殺了。他在留給愛因斯坦，玻爾等好友的信中說：“這幾年我越來越難以理解物理學的飛速發(fā)展，我努力嘗試，卻更為絕望和撕心裂肺，我終于決定放棄一切。我的生活令人極度厭倦……我僅僅是為了孩子們的經(jīng)濟來源而活著，這使我感到罪惡。我試過別的方法但是收效甚微，因此我越來越多地去考慮自殺的種種細節(jié)，除此之外我沒有第二條路走了……原諒我吧。” 在愛因斯坦看來，埃侖費斯特的悲劇無疑是一個時代的悲劇。兩代物理學家的思想猛烈沖突和撞擊，在一個天翻地覆的飄搖亂世，帶給整個物理學以強烈的陣痛。埃侖費斯特雖然從理智上支持玻爾，但當一個文化衰落之時，曾經(jīng)為此文化所感之人必感到強烈的痛苦。昔日黃金時代的黯淡老去，代以雨后春筍般興起的新思潮，從量子到量子場論，原子中各種新粒子層出不窮，稀奇古怪的概念統(tǒng)治整個世界。愛因斯坦的心中何曾沒有埃侖費斯特那樣難以名狀的巨大憂傷？愛因斯坦遠遠地，孤獨地站在鴻溝的另一邊，看著年輕人們義無反顧地高唱著向遠方進軍，每一個人都對他說他站錯了地方。這種感覺是那樣奇怪，似乎世界都顯得朦朧而不真實。難怪曾經(jīng)有人嘆息說，寧愿早死幾年，也不愿看到現(xiàn)代物理這樣一幅令人難以接受的畫面。不過，愛因斯坦卻仍然沒有倒下，雖然他身在異鄉(xiāng)，他的第二個妻子又重病纏身，不久將與他生離死別，可這一切都不能使愛因斯坦放棄內(nèi)心那個堅強的信仰，那個對于堅固的因果關(guān)系，對于一個宇宙和諧秩序的癡癡信仰。愛因斯坦仍然選擇戰(zhàn)斗，他的身影在斜陽下拉得那樣長，似乎是勇敢的老戰(zhàn)士為一個消逝的王國做最后的悲壯抗爭。 這一次他爭取到了兩個同盟軍，他們分別是他的兩個同事波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森（Nathan Rosen）。1935年3月，三人共同在《物理評論》（Physics Review）雜志上發(fā)表了一篇論文，名字叫《量子力學對物理實在的描述可能是完備的嗎？》，再一次對量子論的基礎(chǔ)發(fā)起攻擊。當然他們改變策略，不再說量子論是自相矛盾，或者錯誤的，而改說它是“不完備”的。具體來說，三人爭辯量子論的那種對于觀察和波函數(shù)的解釋是不對的。 我們用一個稍稍簡化了的實驗來描述他們的主要論據(jù)。我們已經(jīng)知道，量子論認為在我們沒有觀察之前，一個粒子的狀態(tài)是不確定的，它的波函數(shù)彌散開來，代表它的概率。但當我們探測以后，波函數(shù)坍縮，粒子隨機地取一個確定值出現(xiàn)在我們面前。 現(xiàn)在讓我們想象一個大粒子，它是不穩(wěn)定的，很快就會衰變成兩個小粒子，向相反的兩個方向飛開去。我們假設(shè)這種粒子有兩種可能的自旋，分別叫“左”和“右”，那么如果粒子A的自旋為“左”，粒子B的自旋便一定是“右”，以保持總體守恒，反之亦然。 好，現(xiàn)在大粒子分裂了，兩個小粒子相對飛了出去。但是要記住，在我們沒有觀察其中任何一個之前，它們的狀態(tài)都是不確定的，只有一個波函數(shù)可以描繪它們。只要我們不去探測，每個粒子的自旋便都處在一種左/右可能性疊加的混合狀態(tài)，為了方便我們假定兩種概率對半分，各50％。 現(xiàn)在我們觀察粒子A，于是它的波函數(shù)一瞬間坍縮了，隨機地選擇了一種狀態(tài)，比如說是“左”旋。但是因為我們知道兩個粒子總體要守恒，那么現(xiàn)在粒子B肯定就是“右”旋了。問題是，在這之前，粒子A和粒子B之間可能已經(jīng)相隔非常遙遠的距離，比如說幾萬光年好了。它們怎么能夠做到及時地互相通信，使得在粒子A坍縮成左的一剎那，粒子B毅然坍縮成右呢？ 量子論的概率解釋告訴我們，粒子A選擇“左”，那是一個完全隨機的決定，兩個粒子并沒有事先商量好，說粒子A一定會選擇左。事實上，這種選擇是它被觀測的那一剎那才做出的，并沒有先兆。關(guān)鍵在于，當A隨機地作出一個選擇時，遠在天邊的B便一定要根據(jù)它的決定而作出相應的坍縮，變成與A不同的狀態(tài)以保持總體守恒。那么，B是如何得知這一遙遠的信息的呢？難道有超過光速的信號來回于它們之間？ 假設(shè)有兩個觀察者在宇宙的兩端守株待兔，在某個時刻t，他們同時進行了觀測。一個觀測A，另一個同時觀測B，那么，這兩個粒子會不會因為距離過于遙遠，一時無法對上口徑而在倉促間做出手忙腳亂的選擇，比如兩個同時變成了“左”，或者“右”？顯然是不太可能的，不然就違反了守恒定律，那么是什么讓它們之間保持著心有靈犀的默契，當你是“左”的時候，我一定是“右”？ 愛因斯坦等人認為，既然不可能有超過光速的信號傳播，那么說粒子A和B在觀測前是“不確定的幽靈”顯然是難以自圓其說的。唯一的可能是兩個粒子從分離的一剎那開始，其狀態(tài)已經(jīng)確定了，后來人們的觀測只不過是得到了這種狀態(tài)的信息而已，就像經(jīng)典世界中所描繪的那樣。粒子在觀測時才變成真實的說法顯然違背了相對論的原理，它其中涉及到瞬間傳播的信號。這個詰難以三位發(fā)起者的首字母命名，稱為“EPR佯謬”。 玻爾在得到這個消息后大吃一驚，他馬上放下手頭的其他工作，來全神貫注地對付愛因斯坦的這次挑戰(zhàn)。這套潛心演練的新陣法看起來氣勢洶洶，宏大堂皇，頗能奪人心魄，但玻爾也算是愛因斯坦的老對手了。他睡了一覺后，馬上發(fā)現(xiàn)了其中的破綻所在，原來這看上去讓人眼花繚亂的一次攻擊卻是個完完全全的虛招，并無實質(zhì)力量。玻爾不禁得意地唱起一支小調(diào)，調(diào)侃了波多爾斯基一下。 原來愛因斯坦和玻爾根本沒有個共同的基礎(chǔ)。在愛因斯坦的潛意識里，一直有個經(jīng)典的“實在”影像。他不言而喻地假定，EPR實驗中的兩個粒子在觀察之前，分別都有個“客觀”的自旋狀態(tài)存在，就算是概率混合吧，但粒子客觀地存在于那里。但玻爾的意思是，在觀測之前，沒有一個什么粒子的“自旋”！那時候自旋的粒子是不存在的，不是客觀實在的一部分，這不能用經(jīng)典語言來表達，只有波函數(shù)可以描述。因此在觀察之前，兩個粒子——無論相隔多遠都好——仍然是一個互相關(guān)聯(lián)的整體！它們?nèi)匀槐仨毐豢醋髂噶Ｗ臃至褧r的一個全部，直到觀察以前，這兩個獨立的粒子都是不存在的，更談不上客觀的自旋狀態(tài)！ 這是愛因斯坦和玻爾思想基礎(chǔ)的尖銳沖突，玻爾認為，當沒有觀測的時候，不存在一個客觀獨立的世界。所謂“實在”只有和觀測手段連起來講才有意義。在觀測之前，并沒有“兩個粒子”，而只有“一個粒子”，直到我們觀測了A或者B，兩個粒子才變成真實，變成客觀獨立的存在。但在那以前，它們?nèi)匀皇腔ハ嗦?lián)系的一個虛無整體。并不存在什么超光速的信號，兩個遙遠的粒子只有到觀測的時候才同時出現(xiàn)在宇宙中，它們本是協(xié)調(diào)的一體，之間無需傳遞什么信號。其實是這個系統(tǒng)沒有實在性，而不是沒有定域性。 EPR佯謬其實根本不是什么佯謬，它最多表明了，在“經(jīng)典實在觀”看來，量子論是不完備的，這簡直是廢話。但是在玻爾那種“量子實在觀”看來，它是非常完備和邏輯自洽的。 既生愛，何生玻。兩人的世紀爭論進入了尾聲。在哲學基礎(chǔ)上的不同使得兩人間的意見分歧直到最后也沒能調(diào)和。一直到死，玻爾也未能使愛因斯坦信服，認為量子論的解釋是完備的。而玻爾本人也一直在同愛因斯坦的思想作斗爭，在他1962年去世后的第二天，人們在他的黑板上仍然發(fā)現(xiàn)畫有當年愛因斯坦光箱實驗的草圖。兩位科學巨人都為各自的信念而奮斗了畢生，但別的科學家已經(jīng)甚少關(guān)心這種爭執(zhí)。在量子論的引導下，科學顯得如此朝氣蓬勃，它的各個分支以火箭般的速度發(fā)展，給人類社會帶來了偉大的技術(shù)革命。從半導體到核能，從激光到電子顯微鏡，從集成電路到分子生物學，量子論把它的光輝播撒到人類社會的每一個角落，成為有史以來在實用中最成功的物理理論。許多人覺得，爭論量子論到底對不對簡直太可笑了，只要轉(zhuǎn)過頭，看看身邊發(fā)生的一切，看看社會的日新月異，目光所及，無不是量子論的最好證明。 如果說EPR最大的價值所在，那就是它和別的奇想空談不同。只要稍微改裝一下，EPR是可以為實踐所檢驗的！我們的史話在以后會談到，人們是如何在實驗室里用實踐裁決了愛因斯坦和玻爾的爭論，經(jīng)典實在的概念無可奈何花落去，只留下一個蒼涼的背影和深沉的嘆息。 但量子論仍然困擾著我們。它的內(nèi)在意義是如此撲朔迷離，使得對它的詮釋依舊眾說紛紜。量子論取得的成就是無可懷疑的，但人們一直無法確認它的真實面目所在，這爭論一直持續(xù)到今天。它將把一些讓物理學家們毛骨悚然的概念帶入物理中，令人一想來就不禁倒吸一口涼氣。而反對派那里還有一個薛定諤，他要放出一只可怕的怪獸，撕咬人們的理智和神經(jīng)，這就是叫許多人聞之色變的“薛定諤的貓”。 *********
飯后閑話：海森堡和德國原子彈計劃（四） 海森堡本人于1976年去世了。在他死后兩年，英國人Jones出版了《高度機密戰(zhàn)爭：英國科學情報部門》（Most Secret War:British Scientific Intelligentce）一書，詳細地分析了海森堡當年在計算時犯下的令人咋舌的錯誤。但他的分析卻沒有被Mark Walker所采信，在資料詳細的《德國國家社會主義及核力量的尋求》（German National Socialism and the Quest for Nubclear Power，1989年出版）中，Walker還是認為海森堡在1942年頭腦清楚，知道正確的事實。 到了1992年，Hofstra大學的戴維?卡西迪（David Cassidy）出版了著名的海森堡傳記《不確定性：海森堡傳》，這至今仍被認為是海森堡的標準傳記。他分析了整件事情，并最后站在了古德施密特等人的立場上，認為海森堡并沒有什么主觀的愿望去“摧毀”一個原子彈計劃，他當年確實算錯了。 但是很快到了1993年，戲劇性的情況又發(fā)生了。Thomas Powers寫出了巨著《海森堡的戰(zhàn)爭》（Heisenberg’s War）。Powers本是記者出身，非常了解如何使得作品具有可讀性。因此雖然這本厚書足有607頁，但文字奇巧，讀來引人入勝，很快成了暢銷作品。Powers言之鑿鑿地說，海森堡當年不僅僅是“消極”地對待原子彈計劃，他更是“積極”地破壞了這個計劃的成功實施。他繪聲繪色地向人們描繪了一幕幕陰謀、間諜、計劃，后來有人挪揄說，這本書的前半部分簡直就是一部間諜小說。不管怎么樣說，這本書在公眾中的反響是很大的，海森堡作為一個高尚的，富有機智和正義感的科學家形象也深入人心，更直接影響了后來的戲劇《哥本哈根》。從以上的描述可以見到，對這件事的看法在短短幾年中產(chǎn)生了多少極端不同的看法，這在科學史上幾乎獨一無二。 1992年披露了一件非常重要的史料，那就是海森堡他們當初被囚在Farm Hall的竊聽錄音抄本。這個東東長期來是保密的，只能在幾個消息靈通者的著作中見到一星半點。1992年這份被稱為Farm Hall Transcript的文件解密，由加州大學伯克利出版，引起轟動。Powers就借助了這份新資料，寫出了他的著作。 《海森堡的戰(zhàn)爭》一書被英國記者兼劇作家Michael Frayn讀到，后者為其所深深吸引，不由產(chǎn)生了一個巧妙的戲劇構(gòu)思。在“海森堡之謎”的核心，有一幕非常神秘，長期為人們爭議不休的場景，那就是1941年他對玻爾的訪問。當時丹麥已被德國占領(lǐng)，納粹在全歐洲的攻勢勢如破竹。海森堡那時意識到了原子彈制造的可能性，他和魏扎克兩人急急地假借一個學術(shù)會議的名頭，跑到哥本哈根去會見當年的老師玻爾。這次會見的目的和談話內(nèi)容一直不為人所知，玻爾本人對此隱諱莫深，絕口不談。唯一能夠確定的就是當時兩人鬧得很不愉快，玻爾和海森堡之間原本情若父子，但這次見面后多年的情義一朝了斷，只剩下表面上的客氣。發(fā)生了什么事？ 有人說，海森堡去警告玻爾讓他注意德國的計劃。有人說海森堡去試圖把玻爾也拉進他們的計劃中來。有人說海森堡想探聽盟軍在這方面的進展如何。有人說海森堡感到罪孽，要向玻爾這位“教皇”請求寬恕…… Michael Frayn著迷于Powers的說法，海森堡去到哥本哈根向玻爾求證盟軍在這方面的進展，并試圖達成協(xié)議，雙方一起“破壞”這個可怕的計劃。也就是說，任何一方的科學家都不要積極投入到原子彈這個領(lǐng)域中去，這樣大家扯平，人類也可以得救。這幾乎是一幕可遇而不可求的戲劇場景，種種復雜的環(huán)境和內(nèi)心沖突交織在一起，糾纏成千千情結(jié)，組成精彩的高潮段落。一方面海森堡有強烈的愛國熱情和服從性，他無法拒絕為德國服務的命令。但海森堡又掙扎于人類的責任感，感受到科學家的道德情懷。而且他又是那樣生怕盟軍也造出原子彈，給祖國造成永遠的傷痕。海森堡面對玻爾，那個偉大的老師玻爾，那個他當作父親一樣看待的玻爾，曾經(jīng)領(lǐng)導夢幻般哥本哈根派的玻爾，卻也是“敵人”玻爾，視德國為仇敵的玻爾，卻又教人如何開口，如何遣詞……少年的回憶，物理上的思索，敬愛的師長，現(xiàn)實的政治，祖國的感情，人類的道德責任，戰(zhàn)爭年代……這些融在一起會產(chǎn)生怎樣的語言和思緒？還有比這更杰出的戲劇題材嗎？ 《哥本哈根》的第一幕中為海森堡安排了如此的臺詞： “玻爾，我必須知道（盟軍的計劃）！我是那個能夠作出最后決定的人！如果盟軍也在制造炸彈，我正在為我的祖國作出怎樣的選擇？……要是一個人認為如果祖國做錯了，他就不應該愛她，那是錯誤的。德意志是生我養(yǎng)我的地方，是我長大成人的地方，她是我童年時的一張張面孔，是我跌倒時把我扶起的那雙雙大手，是鼓起我的勇氣支持我前進的那些聲音，是和我內(nèi)心直接對話的那些靈魂。德國是我孀居的母親和難纏的兄弟，德國是我的妻子，是我的孩子，我必須知道我正在為她作出怎樣的決定！是又一次的失??？又一場惡夢，如同伴隨我成長起來的那個一樣的惡夢？玻爾，我在慕尼黑的童年結(jié)束在無政府和內(nèi)戰(zhàn)中，我們的孩子們是不是要再一次挨餓，就像我們當年那樣？他們是不是要像我那樣，在寒冷的冬夜里手腳并用地爬過敵人的封鎖線，在黑暗的掩護下于雪地中匍匐前進，只是為了給家里找來一些食物？他們是不是會像我17歲那年時，整個晚上守著驚恐的犯人，長夜里不停地和他們說話，因為他們一早就要被處決？” 這樣的殘酷的兩難，造成觀眾情感上的巨大沖擊，展示整個復雜的人性。戲劇本質(zhì)上便是一連串的沖突，如此精彩的題材，已經(jīng)注定了這是一出偉大的戲劇作品。但從歷史上來說，這樣的美妙景象卻是靠不住的。Michael Frayn后來說他認為Powers有道理，至少他掌握了以前人們沒有的資料，也就是Farm Hall Transcript，可惜他的這一寶似乎押錯了。 文章來源：遼寧教育出版社
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