与薛定谔就两种量子力学的对话
这次对话是两种量子力学理论的第一次交锋,也可以看作以玻尔和爱因斯坦为代表的两大量子力学学派世纪之争的前奏。玻尔与薛定谔的这次争论的焦点是关于电子的波动性与电子的量子跃迁,这场对话始于薛定谔的一次讲话。
1926年7月底,薛定谔踌躇满志地来到慕尼黑讲学,德国物理学会巴伐利亚分会的会员及其他各地慕名而来的物理学者们前来听讲。在这次会上,海森堡就波动力学的连续性向薛定谔提出了质疑,他提出了诸如普朗克辐射定律、康普顿效应和原子特征谱线强度等一系列波动连续性所不能解释的问题,海森堡不仅没有得到满意的回答,反而遭到大会的阻挠。玻尔决定把薛定谔请到哥本哈根来,就两大力学针锋相对的问题与他进行面对面的讨论。
1926年9月底,薛定谔来到了哥本哈根。在此后的几天里,两大力学的一次严肃对话开始了,海森堡是见证人,也亲自记录了谈话的始末。从表面上看,这次对话似乎各不相让、无果而终,但实际上对于玻尔形成互补性原理的思考、对于推动两大量子理论的结合起着重大的推动作用。
此前薛定谔没有与玻尔见过面。对话前双方都充满自信,玻尔和海森堡认定是薛定谔错了,特别是玻尔,他急切地想让薛定谔“重见天日”;而薛定谔因自己的波动理论受到物理学界的广泛欢迎,有着坚定的信心,他认为未来波动力学将占据量子力学的主导地位。双方都是有备而来,在火车站刚一相遇,争论就开始了,几句寒暄之后,对话直接切入正题。以下的情况是根据海森堡的记录整理出来的。
“你们要知道,”薛定谔显得兴奋而得意,“‘量子跃迁’的说法已经被当成了废话,走到了尽头。”接着他解释起来:“你可以把电子的‘轨道跃迁’想象为逐渐发生的,也可以想象为瞬时的。如果是逐渐发生的,那么电子的能量也应该随之逐渐变化,那该如何去解释谱线的精细结构呢?反之,如果是瞬间发生的,那我们就要问自己了,电子是如何做到瞬时跳跃的呢?……到底是什么规则叫它如此运动的?”由于不能圆满回答这样的问题,他认为,“‘轨道跃迁’是一个非常荒唐的怪念头(sheer fantasy)。”[94]
对薛定谔直接切入的“正题”,玻尔回应得很机智。他说:“你说的没错。”接着话锋一转,换到关于物理学中的“可见性”(visualizability)和“可知性”(understandability)的实质性主题上来。他说:“但是(你)并没有证明‘量子跃迁’不存在,或者说,这只能表明我们还不能用日常生活经验表述它,或用经典物理实验充分证实它而已。‘量子跃迁’这个过程还不能被直接观察到,并不使人感到意外。”看来薛定谔不想陷入带有“哲学色彩”的讨论中,他说:“其实我只是想知道,到底原子里面发生了什么?对你这样的‘哲学’说法我并不关心。”
薛定谔认为,既然物理理论不能解释电子是如何在轨道上运动的,也不能解释它又是怎样迁移到另一个轨道上的,无论是波动力学还是矩阵力学都没能对此做出解释,所以他认为“量子跃迁”应该舍弃。于是他说:“(只要)把这一图像(指量子跃迁)换成物质波的图像,所有的难题就会一下子消失了。”
可以想象,玻尔一定不能接受薛定谔的这个说法。果然玻尔做出了回应:“请原谅我不同意你的意见。”玻尔坚持说:“这些矛盾不可能消失,这样只是把问题推向了另一端。”接着,他重申用波动理论在解释普朗克定律时,所不能解释的能量不连续变化问题。玻尔说:“难道你不能尝试着把所有这些(物理难题)作为(你那个)量子理论的基础吗?”此时,薛定谔不知如何回答,只能承认说:“暂时我还不能对这些关系做出充分的解释。”接着,他提出借助热力学有可能找出答案来。但是玻尔却认为这个办法不可行,他说:“我们熟知普朗克公式已经20年了,除此以外,我们还可以看到相当多的表现多变性、跳跃性的原子现象,例如计数器屏上的光点,或电子穿过云室中的闪烁等。你不能这么轻易地忽视它们,把它们当成根本不存在。”(https://www.daowen.com)
看来,玻尔的这一回应一下子把薛定谔激怒了,他立刻回应说:“如果(你)硬要把这些该死的‘量子跃迁’搬出来,那我很遗憾被卷进量子力学里来。”
显然,这场互不让步的争论到了白热化,玻尔试图使气氛缓和。“其实我们非常感谢你的成果,”玻尔说,“你的波动力学数学清晰而简单,它给予量子力学理论的巨大促进,超过了以前所有的理论。”就这样,薛定谔在玻尔家待了几天,由于日日夜夜持续地讨论和争执,薛定谔病了。他得了重感冒,躺在床上,受到玻尔夫人的尽心照顾,争论这才告一段落[95]。
薛定谔很烦恼,除了哥本哈根,反对声音也来自哥丁根。1926年11月,玻恩写给薛定谔的信就很不客气,他说:“如果你的波动力学是正确的,那固然是美好的,可惜的是,这个世界上美好的事并不那么多。”[96]
玻恩写给爱因斯坦的信中说:“薛定谔的成果只是一种纯数学的东西,在物理上是站不住脚的。”[97]
两种力学的争论虽然没有结果,但双方都从中得到了启示。薛定谔认识到量子力学理论无论如何需要兼容物质的波动性和粒子性,只考虑波动力学,不可能找到解决问题的答案。[98]
哥本哈根和哥丁根的矩阵力学学派也冷静了下来,因为事情并不如他们所愿。由于矩阵力学里冗长而艰涩的数学,使世界上的大多数物理学家避开它,而接受了薛定谔的波动力学,因为这一理论更容易理解和使用,由此还获得了有用的成果。