量子物理史話

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飯後閒話：奧卡姆剃刀

同時具有p和q的電子是不存在的。有人或許感到不理解，探測不到的就不是實在嗎？

我們來問自己，"這個世界究竟是什麼"和"我們在最大程度上能夠探測到這個世界是什麼"兩個命題，其實質到底有多大的不同？我們探測能力所達的那個世界，是不是就是全部實在的世界？比如說，我們不管怎樣，每次只能探測到電子是個粒子或者是個波，那麼，是不是有一個"實在"的世界，在那裏電子以波-粒子的奇妙方式共存，我們每次探測，只不過探測到了這個終極實在於我們感觀中的一部分投影？同樣，在這個"實在世界"中還有同時具備p和q的電子，只不過我們與它緣慳一面，每次測量都只有半面之交，沒法窺得它的真面目？

假設宇宙在創生初期膨脹得足夠快，以致它的某些區域對我們來說是如此遙遠，甚至從創生的一刹那以光速出發，至今也無法與它建立起任何溝通。宇宙年齡大概有 150億歲，任何信號傳播最遠的距離也不過150億光年，那麼，在距離我們150億光年之外，有沒有另一些"實在"的宇宙，雖然它們不可能和我們的宇宙之間有任何因果聯繫？

在那個實在世界裏，是不是有我們看不見的噴火的龍，是不是有一匹具有"實在"顏色的馬，而我們每次觀察只不過是這種"實在顏色"的膚淺表現而已。我跟你爭論說，地球"其實"是方的，只不過它在我們觀察的時候，表現出圓形而已。但是在那個"實在"世界裏，它是方的，而這個實在世界我們是觀察不到的，但不表明它不存在。

如果我們運用"奧卡姆剃刀原理"（Occam's Razor），這些觀測不到的"實在世界"全都是子虛烏有的，至少是無意義的。這個原理是14世紀的一個修道士威廉所創立的，奧卡姆是他出生的地方。這位奧卡姆的威廉還有一句名言，那是他對巴伐利亞的路易四世說的："你用劍來保衛我，我用筆來保衛你。"

剃刀原理是說，當兩種說法都能解釋相同的事實時，應該相信假設少的那個。比如，地球"本來"是方的，但觀測時顯現出圓形。這和地球"本來就是圓的"說明的是同一件事。但前者引入了一個莫名其妙的不必要的假設，所以前者是胡說。同樣，"電子本來有準確的p和q，但是觀測時只有1個能顯示"，這和"只存在具有 p或者具有q的電子"說明的也是同一回事，但前者多了一個假設，我們應當相信後者。"存在但觀測不到"，這和"不存在"根本就是一碼事。

同樣道理，沒有粒子-波混合的電子，沒有看不見的噴火的龍，沒有"絕對顏色"的馬，沒有150億光年外的宇宙（150億光年這個距離稱作"視界"），沒有隔著1釐米四維尺度觀察我們的四維人，沒有絕對的外部世界。史蒂芬.霍金在《時間簡史》中說："我們仍然可以想像，對於一些超自然的生物，存在一組完全地決定事件的定律，它們能夠觀測宇宙現在的狀態而不必干擾它。然而，我們人類對於這樣的宇宙模型並沒有太大的興趣。看來，最好是採用奧卡姆剃刀原理，將理論中不能被觀測到的所有特徵都割除掉。"

你也許對這種實證主義感到反感，反駁說："一片無人觀察的荒漠，難道就不存在嗎？"以後我們會從另一個角度來討論這片無人觀察的荒漠，這裏只想指出，"無人的荒漠"並不是原則上不可觀察的。

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五

正如我們的史話在前面一再提醒各位的那樣，量子論革命的破壞力是相當驚人的。在概率解釋，不確定性原理和互補原理這三大核心原理中，前兩者摧毀了經典世界的因果性，互補原理和不確定原理又合力搗毀了世界的客觀性和實在性。新的量子圖景展現出一個前所未有的世界，它是如此奇特，難以想像，和人們的日常生活格格不入，甚至違背我們的理性本身。但是，它卻能夠解釋量子世界一切不可思議的現象。這種主流解釋被稱為量子論的"哥本哈根"解釋，它是以玻爾為首的一幫科學家作出的，他們大多數曾在哥本哈根工作過，許多是量子論本身的創立者。哥本哈根派的人物除了玻爾，自然還有海森堡、波恩、泡利、狄拉克、克萊默、約爾當，也包括後來的魏紮克和蓋莫夫等等，這個解釋一直被當作是量子論的正統，被寫進各種教科書中。

當然，因為它太過奇特，太教常人困惑，近80年來沒有一天它不受到來自各方面的置疑、指責、攻擊。也有一些別的解釋被紛紛提出，這裏面包括德布羅意-玻姆的隱函數理論，埃弗萊特的多重宇宙解釋，約翰泰勒的系綜解釋、Ghirardi-Rimini-Weber的"自發定域"（Spontaneous Localization），Griffiths-Omnès-GellMann-Hartle的"脫散歷史態"（Decoherent Histories, or Consistent Histories），等等，等等。我們的史話以後會逐一地去看看這些理論，但是公平地說，至今沒有一個理論能取代哥本哈根解釋的地位，也沒有人能證明哥本哈根解釋實際上"錯了"（當然，可能有人爭辯說它"不完備"）。隱函數理論曾被認為相當有希望，可惜它的勝利直到今天還仍然停留在口頭上。因此，我們的史話仍將以哥本哈根解釋為主線來敍述，對於讀者來說，他當然可以自行判斷，並得出他自己的獨特看法。

哥本哈根解釋的基本內容，全都圍繞著三大核心原理而展開。我們在前面已經說到，首先，不確定性原理限制了我們對微觀事物認識的極限，而這個極限也就是具有物理意義的一切。其次，因為存在著觀測者對於被觀測物的不可避免的擾動，現在主體和客體世界必須被理解成一個不可分割的整體。沒有一個孤立地存在於客觀世界的"事物"（being），事實上一個純粹的客觀世界是沒有的，任何事物都只有結合一個特定的觀測手段，才談得上具體意義。物件所表現出的形態，很大程度上取決於我們的觀察方法。對同一個物件來說，這些表現形態可能是互相排斥的，但必須被同時用於這個物件的描述中，也就是互補原理。

最後，因為我們的觀測給事物帶來各種原則上不可預測的擾動，量子世界的本質是"隨機性"。傳統觀念中的嚴格因果關係在量子世界是不存在的，必須以一種統計性的解釋來取而代之，波函數ψ就是一種統計，它的平方代表了粒子在某處出現的概率。當我們說"電子出現在x處"時，我們並不知道這個事件的"原因"是什麼，它是一個完全隨機的過程，沒有因果關係。

有些人可能覺得非常糟糕：又是不確定又是沒有因果關係，這個世界不是亂套了嗎？物理學家既然什麼都不知道，那他們還好意思呆在大學裏領薪水，或者在電視節目上欺世盜名？然而事情並沒有想像的那麼壞，雖然我們對單個電子的行為只能預測其概率，但我們都知道，當樣本數量變得非常非常大時，概率論就很有用了。我們沒法知道一個電子在螢幕上出現在什麼位置，但我們很有把握，當數以萬億記的電子穿過雙縫，它們會形成干涉圖案。這就好比保險公司沒法預測一個客戶會在什麼時候死去，但它對一個城市的總體死亡率是清楚的，所以保險公司一定是賺錢的！

傳統的電視或者電腦螢幕，它後面都有一把電子槍，不斷地逐行把電子打到螢幕上形成畫面。對於單個電子來說，我並不知道它將出現在螢幕上的哪個點，只有概率而已。不過大量電子疊在一起，組成穩定的畫面是確定無疑的。看，就算本質是隨機性，但科學家仍然能夠造出一些有用的東西。如果你家電視畫面老是有雪花，不要懷疑到量子論頭上來，先去檢查一下天線。

當然時代在進步，俺的電腦螢幕現在變成了薄薄的液晶型，那是另一回事了。

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至于令人迷惑的波粒二象性，那也只是量子微观世界的奇特性质罢了。我们已经谈到德布罗意方程λ= h/p，改写一下就是λp=h，波长和动量的乘积等于普朗克常数h。对于微观粒子来说，它的动量非常小，所以相应的波长便不能忽略。但对于日常事物来说，它们质量之大相比h简直是个天文数字，所以对于生活中的一个足球，它所伴随的德布罗意波微乎其微，根本感觉不到。我们一点都用不着担心，在世界杯决赛中，眼看要入门的那个球会突然化为一缕波，消失得杳然无踪。

但是，我们还是觉得不太满意，因为对"观测行为"，我们似乎还没有作出合理的解释。一个电子以奇特的分身术穿过双缝，它的波函数自身与自身发生了干涉，在空间中严格地，确定地发展。在这个阶段，因为没有进行观测，说电子在什么地方是没有什么意义的，只有它的概率在空间中展开。物理学家们常常摆弄玄虚说：" 电子无处不在，而又无处在"，指的就是这个意思。然而在那以后，当我们把一块感光屏放在它面前以测量它的位置的时候，事情突然发生了变化！电子突然按照波函数的概率分布而随机地作出了一个选择，并以一个小点的形式出现在了某处。这时候，电子确定地存在于某点，自然这个点的概率变成了100％，而别的地方的概率都变成了0。也就是说，它的波函数突然从空间中收缩，聚集到了这一个点上面，在这个点出现了强度为1的高峰。而其它地方的波函数都瞬间降为0。

哦，上帝，发生了什么事？为什么电子的波函数在一刹那发生了这样的巨变？原本形态优美，严格地符合薛定谔方程的波函数在一刹那轰然崩溃，变成了一个针尖般的小点。从数学上来说，这两种状态显然是没法互相推导的。在我们观测电子以前，它实际上处在一种迭加态，所有关于位置的可能性迭合在一起，弥漫到整个空间中去。但是，当我们真的去"看"它的时候，电子便无法保持它这样优雅而面面俱到的行为方式了，它被迫作出选择，在无数种可能性中挑选一种，以一个确定的位置出现在我们面前。

波函数这种奇迹般的变化，在哥本哈根派的口中被称之为"坍缩"（collapse），每当我们试图测量电子的位置，它那原本按照薛定谔方程演变的波函数ψ 便立刻按照那个时候的概率分布坍缩（我们记得ψ的平方就是概率），所有的可能全都在瞬间集中到某一点上。而一个实实在在的电子便大摇大摆地出现在那里，供我们观赏。

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在電子通過雙縫前，假如我們不去測量它的位置，那麼它的波函數就按照方程發散開去，同時通過兩個縫而自我互相干涉。但要是我們試圖在兩條縫上裝個儀器以探測它究竟通過了哪條縫，在那一刹那，電子的波函數便坍縮了，電子隨機地選擇了一個縫通過。而坍縮過的波函數自然就無法再進行干涉，於是乎，干涉條紋一去不復返。

奇怪，非常奇怪。為什麼我們一觀測，電子的波函數就開始坍縮了呢？

事實似乎是這樣的，當我們閉上眼睛不去看這個電子，它就不是一個實實在在的電子。它像一個幽靈一般按照波函數向四周散發開去，虛無飄渺，沒有實體，而以概率波的形態漂浮在空間中。隨著時間的演化，這種概率波嚴格地按照薛定諤波動方程的指使，聽話而確定地按照經典方式發展。這個時候，與其說它是一個電子，不如說它是一個鬼魂，一團混沌，一幅浸潤開來的水彩畫，一朵概率雲，愛麗絲夢境中那難以捉摸的柴郡貓的笑容。不管你怎麼形容都好，反正它不是一個實體，它以概率的方式擴散開來，這種概率似波動一般起伏，可以干涉和疊加，為ψ所精確描述。

但是，當你一睜開眼睛，奇妙的事情發生了！所有的幻影，所有的幽靈都消失了。電子那散發開去的波函數在瞬間坍縮，它重新變成了一個實實在在的粒子，隨機地出現在某處。除了這個地方之外，一切的概率波，一切的可能性都消失了。化為一縷清風的妖怪重新凝聚成為一個白骨精，被牢牢地摁死在一個地方。電子回到了現實世界裏來，又成了大家所熟悉的經典粒子。

你又閉上眼睛，剛剛變回原型的電子又化為概率波，向四周擴散。再睜開眼睛，它又變回粒子出現在某個地方。你測量一次，它的波函數就坍縮一次，隨機地決定一個新的位置。當然，這裏的隨機是嚴格按照波函數所嚴格描述的概率分佈來決定的。

我們不如敍述得更加生動活潑一些。金庸在《笑傲江湖》第二十六回裏描述了令狐沖在武當腳下與沖虛一戰，沖虛一柄長劍幻為一個個光圈，讓令狐沖眼花繚亂，看不出劍尖所在。用量子語言說，這時候沖虛的劍已經不是一個實體，它變成許許多多的"虛劍"，在光圈裏分佈開來，每一個"虛劍尖"都代表一種可能性，它可能就是"實劍尖"所在。沖虛的劍可以為一個波函數所描述，很有可能在光圈的中心，這個波函數的強度最大，也就是說這劍最可能出現在光圈中心。現在令狐沖揮劍直入，注意，這是一次"測量行為"！好，在那瞬間沖虛劍的波函數坍縮了，又變成一柄實劍。令狐沖運氣好，它真的出現在光圈中間，於是破了此招。要是猜錯了呢？那免不了斷送一條手臂，但沖虛劍的波函數總是坍縮了，它無論如何要實實在在地出現在某處，這才能傷敵。

在《三國演義》評話裏，有一個類似的情節。趙雲在長阪坡遇上高覽（有些說是張繡），後者使一招百鳥朝鳳，槍尖幻化為千百點，趙雲僥倖破了此招--他隨便一擋，迫使其波函數坍縮，結果正好坍縮到兩槍相遇的位置，然後高覽心慌意亂，反死于趙雲之蛇盤七探槍下，這就不多說了。

我們還是回到物理上來。這種哥本哈根解釋聽起來未免也太奇怪了，我們觀測一下，電子才變成實在，不然就是個幽靈。許多人一定覺得不可思議：當我們背過身，或者閉著眼的時候，電子一定在某個地方，只不過我們不知道而已。但正如我們指出的，假使電子真的"在"某個地方，它便只能通過一道狹縫，這就難以解釋干涉條紋。而且我們以後也會看到，實驗完全排除了這種可能。也許我們說"幽靈"太聳人聽聞，嚴格地說，電子在沒有觀測的時候什麼也不是，談論它是無意義的，只有數學可以描述--波函數！按照哥本哈根解釋，不觀測的時候，根本沒有個實在！自然也就沒有實在的電子。事實上，不存在"電子"這個東西，只存在"我們與電子之間的觀測關係"。

我已經可以預見到即將扔過來的臭雞蛋的數量--不過它現在還是個波函數，等一會兒才會坍縮，哈哈--然而在那些扔臭雞蛋的人中，有幾位是讓我感到十分榮幸的。事實上，哥本哈根派這下遇到真正的麻煩了，他們要面對一些強大的懷疑論者，這些人中間不少還剛剛和他們並肩戰鬥過。二十世紀物理史上最激烈，影響最大，意義最深遠的一場爭論馬上就要展開，這使得我們能夠對自然的行為和精神有更加深刻的理解。下一章我們就來談這場偉大的辯論--玻爾-愛因斯坦之爭。

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第八章 論戰

一

義大利北部的科莫市（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澱。這個小城也有一支足球隊--科莫隊，在上個賽季（2002－2003）還打入了甲級聯賽，可惜現在又降級了。一度報導說，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年出生於此的大科學家，亞裏山德羅.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）。伏打於1827年9月去世，被他的家鄉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年起聳立於此。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，給它帶來世界性的聲名。

鬥轉星移，眨眼間已是1927，科學巨人已離開我們整整100周年。一向安靜甯謐的科莫忽然又熱鬧起來，新時代的科學大師們又聚集於此，在紀念先人的同時探討物理學的最新進展。科莫會議邀請了當時幾乎所有的最傑出的物理學家，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的火花向後推遲了幾個月。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，也就是發現了玻色-愛因斯坦統計的那個玻色，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，這個名不見經傳的"玻色"就參加了眾星雲集的科莫會議，也算是飯後的一大談資吧。

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 雜誌寫短文以介紹這個發現，事情太多而時間倉促，最後搞得他手忙腳亂。在出發前的一刹那，他竟然找不到他的護照--這耽誤了幾個小時的火車。

但是，不管怎麼樣，玻爾最後還是完成那長達8頁的講稿，並在大會上成功地作了發言。這個演講名為《量子公設和原子論的最近發展》，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度。他強調了觀測的重要性，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，一直要到後來的索爾維會議它才算最終完成，不過這一思想現在已經引起了人們的注意。

波恩讚揚了玻爾"中肯"的觀點，同時又強調了量子論的不確定性。他特別舉了波函數"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，他以後會證明關於它的一些有趣的性質。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，許多不屬於"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遊戲，是對大家都瞭解的情況"換一種說法"罷了。正如羅森菲爾德（Rosenfeld）後來在訪談節目中評論的："這個互補原理只是對各人所清楚的情況的一種說明……科莫會議並沒有明確論據，關於概念的定義要到後來才作出。"尤金.魏格納（Eugene Wigner）總結道："……（大家都覺得，玻爾的演講）沒能改變任何人關於量子論的理解方式。"

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，標誌著哥本哈根解釋邁出了關鍵的一步。不久出版了玻爾的講稿，內容已經有所改進，距離這個解釋的最終成熟只差最後一步了。

在哥本哈根派聚集力量的同時，他們的反對派也開始為最後的決戰做好準備。對於愛因斯坦來說，一個沒有嚴格因果律的物理世界是不可想像的。物理規律應該統治一切，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，原因結果，而不依賴於什麼"隨機性"。至於拋棄客觀實在，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，已經初露端倪。1924年他在寫給波恩的信中堅稱："我決不願意被迫放棄嚴格的因果性，並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。"

舊量子論已經讓愛因斯坦無法認同，那麼更加"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提出了光量子假設，在量子論的發展歷程中作出過不可磨滅的貢獻，但現在他卻完全轉向了這個新生理論的對立面。愛因斯坦堅信，量子論的基礎大有毛病，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。玻爾後來回憶說："愛因斯坦最善於不拋棄連續性和因果性來標示表面上矛盾著的經驗，他比別人更不願意放棄這些概念。"

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兩大巨頭未能在科莫會議上碰面，然而低頭不見抬頭見，命運已經在冥冥中安排好了這樣的相遇不可避免。僅僅一個多月後，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，各路冤家對頭終於聚首一堂，就量子論的問題作一個大決戰。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，經典體系的莊嚴守護者，新時代的冒險家，這次終於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。

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飯後閒話：海森堡和德國原子彈計畫（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，那麼海森堡在二戰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，牽涉到數不清的跨國界的爭論。甚至到現在，還有人不斷地提出異議。我打算在這一章的飯後閒話裏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。

納粹德國為什麼沒能造出原子彈？戰後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、弗裏西、塞格雷，後來又有了玻爾，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，到戰爭前夕已經有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、德拜這樣最傑出的人物，這個數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。

戰爭甫一爆發，德國就展開了原子彈的研究計畫。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專案。德國佔領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，他們仍然擁有世界上最好的科學家，原子的裂變現象就是兩個德國人--奧托.哈恩（Otto Hahn）和弗裏茲.斯特拉斯曼（Fritz Strassmann）在前一年發現的，這兩人都還在德國，哈恩以後會因此發現獲得諾貝爾化學獎。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（蓋革計數器的發明者，他進行了α散射實驗）、魏紮克（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畫，成為"鈾俱樂部"的成員之一，海森堡是這個計畫的總負責人。

然而，德國並沒能造出原子彈，它甚至連門都沒有入。從1942年起，德國似乎已經放棄整個原子彈計畫，而改為研究製造一個能提供能源的原子核反應爐。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，鈾計畫因為技術原因在短時間內難以產出任何實際的結果，在戰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先的地位。斯佩爾將這一情況報告希特勒，當時由於整個戰場情況的緊迫，德國的研究計畫被迫採取一種急功近利的方略，也就是不能在短時間，確切地說是六周內見效的計畫都被暫時放在一邊。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"領先"，也不妨繼續撥款研究下去。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。

這個計畫在被高層放任了近2年後，終於到1944年又為希姆萊所注意到。他下令大力撥款，推動原子彈計畫的前進，並建了幾個新的鈾工廠。計畫確實有所進展，不過到了那時，全德國的工業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年的報告是怎麼一回事？海森堡在其中扮演了一個什麼樣的角色？這答案撲朔迷離，歷史學家們各執一詞，要不是新證據的逐一披露，恐怕人們至今仍然在雲裏霧中。這就是科學史上有名的"海森堡之謎"。

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二

索爾維會議是由一位比利時的實業家Ernest Solvay創立的，並以他的名字命名。第一屆索爾維會議於1911年在布魯塞爾召開，後來雖然一度被第一次世界大戰所打斷，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年由美國人路易斯所提出），會議議程如下：首先勞倫斯.布拉格作關於X射線的實驗報告，然後康普頓報告康普頓實驗以及其和經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，主要是關於粒子的德布羅意波。隨後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。最後，玻爾在科莫演講的基礎上再次做那個關於量子公設和原子新理論的報告，進一步總結互補原理，給量子論打下整個哲學基礎。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：只關心實驗結果的實驗派：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，以及坐在台下的愛因斯坦。

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，然後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言，他試圖把粒子融合到波的圖像裏去，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，回到一種傳統圖像中，然後他引了一系列實驗結果來反駁德布羅意。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，德布羅意最後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後面對其開火，他們在報告最後說："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學假設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"電子雲"，後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，保持著可怕的沈默，不過當波恩提到他的名字後，他終於忍不住出擊了。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，第一是說這裏沒有"一個電子"，只有"一團電子雲"，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"幾率分佈"，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。儘管如此，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，同一個過程會產生許多不同的結果，而且這樣一來，感應屏上的許多區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。

風雲變幻，龍虎交濟，現在兩大陣營的幕後主將終於都走到台前，開始進行一場決定命運的單挑。可惜的是，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，討論的問題中有我們已經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閉/打開一條狹縫對電子產生的影響。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裏彈出來，而玻爾則從雲霧繚繞的哲學中找到工具，把對方所有的論據都一一碾碎。

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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鬥：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，於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部矛盾。然後愛因斯坦，玻爾和我便一起走去會場，我就可以現場聆聽這兩個哲學態度迥異的人的討論，我自己也常常在數學表達結構方面插幾句話。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，但在心裏他是不服氣的。"

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！這已經不是愛因斯坦第一次說這話了。早在1926年寫給波恩的信裏，他就說："量子力學令人印象深刻，但是一種內在的聲音告訴我它並不是真實的。這個理論產生了許多好的結果，可它並沒有使我們更接近'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。並非劍術不精，實乃內力不足。面對浩浩蕩蕩的歷史潮流，他頑強地逆流而上，結果被沖刷得站立不穩，苦苦支撐。1927年，量子革命的大爆發已經進入第三年，到了一個收官的階段。當年種下的種子如今開花結果，革命的思潮已經席捲整個物理界，毫無保留地指明了未來的方向。越來越多的人終究領悟到了哥本哈根解釋的核心奧義，並誠心皈依，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"態度引得了許多人扼腕歎息。遙想當年，1905，愛因斯坦橫空出世，一年之內六次出手，每一役都打得天搖地動，驚世駭俗，獨自創下了一番轟轟烈烈的事業。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恆的神往！可是，當年那個最反叛，最革命，最不拘禮法，最蔑視權威的愛因斯坦，如今竟然站在新生量子論的對立面！

波恩哀歎說："我們失去了我們的領袖。"

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。"

愛因斯坦這一仗輸得狼狽，玻爾看上去沈默駑鈍，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，海森堡在寫給家裏的信中說："我對結果感到非常滿意，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。"多年後他又總結道："剛開始（持有這種觀點的）主要是玻爾，泡利和我，大概也只有我們三個，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，一頭亂髮掩不住眼中的堅決。他身後還站著兩位，一個是德布羅意，一個是薛定諤。三人吳帶淩風，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，各方俊傑又重聚布魯塞爾，會面於第六屆索爾維會議。三年前那一戰已成往事，這第二次華山論劍，又不知誰勝誰負？

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飯後閒話：海森堡和德國原子彈計畫（二）

1944年，盟軍在諾曼地登陸，形成兩面夾攻之勢。到1945年4月，納粹德國大勢已去，歐洲戰場戰鬥的結束已經近在眼前。擺在美國人面前的任務現在是盡可能地搜羅德國殘存的科學家和設備儀器，不讓他們落到別的國家手裏（蘇聯不用說，法國也不行）。和蘇聯人比賽看誰先攻佔柏林是無望的了，他們轉向南方，並很快俘獲了德國鈾計畫的科學家們，繳獲了大部分資料和設備。不過那時候海森堡已經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裏，但為了得到海森堡這個"第一目標"，盟軍派出一支小分隊，於5月3日，也就是希特勒夫婦自殺後的第四天，到海森堡家中抓住了他。這位科學家倒是表現得頗有風度，他禮貌地介紹自己的妻子和孩子們，並問那些美國大兵，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，關在劍橋附近的一幢稱為"農園堂"（Farm Hall）的房子裏。他們並不知道這房子裏面裝滿了竊聽器，他們在此的談話全部被錄了音並記錄下來，我們在後面會談到這些關鍵性的記錄。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。關於當時的詳細情景，我們也會在以後講到。

戰爭結束後，這些科學家都被釋放了。但現在不管是專家還是公眾，都對德國為什麼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。還在監禁期間，廣島之後的第三天，海森堡等人便起草了一份備忘錄，聲稱：1.原子裂變現象是德國人哈恩和斯特拉斯曼在1938年發現的。 2.只有到戰爭爆發後，德國才成立了相關的研究小組。但是從當時的德國來看並無可能造出一顆原子彈，因為即使技術上存在著可能性，仍然有資源不足的問題，特別是需要更多的重水。

返回德國後，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。（*這裏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的濃度才能引發可持續的反應，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，但它吸收中子後會衰變成另一種元素--鈈。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，製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上的優勢是相同的。但是因為德國缺乏相應的資源，因此德國人放棄了這一計畫。他聲稱一直到1942年以前，雙方的進展還"基本相同"，只不過由於外部因素的影響，德國認為在戰爭期間沒有條件（而不是沒有理論能力）造出原子彈，因此轉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，並有意無意地誇大了製造的難度，因此在1942年使得高層相信原子彈並沒有實際意義。再加上外部環境的惡化使得實際製造成為不可能，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，德國人的科學優勢得以保持，同時又捍衛了一種道德地位。兩全其美。

這種說法惹火了古德施密特，他戰時是曼哈頓計畫的重要領導人，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原理和關鍵參數是胡說八道。1942年海森堡報告說難以短期製造出原子彈，那是因為德國人算錯了參數，他們真的相信不可能造出它，而不是什麼虛與委蛇，更沒有什麼消極。古德施密特地位特殊，手裏掌握著許多資料，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畫的過程，但同時也彙報德國方面的情況。海森堡怎肯苟同，兩人在Nature雜誌和報紙上公開辯論，斷斷續續地打了好多年筆仗，最後私下講和，不了了之。

雙方各有支持者。《紐約時報》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。這滋味對於後者肯定不好受，大家知道古德施密特是電子自旋的發現者之一，以如此偉大發現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

kidfid

楼主继续加油~~