(一)
1905年的春天,愛因斯坦進入瑞士專利局工作已經3年了。在5月底的一個晚上,愛因斯坦提起了筆,給自己的好友康拉德·哈比希特寫了一封信:
“我承諾給你寄四篇論文。第一篇是關于輻射和光的能量性質的,很有突破性……第二篇是有關測定原子大小的……第三篇是關于懸浮在液體中尺度約為1/1000mm的微小顆粒的……第四篇論文現在還只是個草稿,涉及運動物體的電動力學,主要是對時間和空間理論做了修改。”
當時的愛因斯坦26歲,1905年因為愛因斯坦的這四篇論文,被稱為“愛因斯坦奇跡年”。
愛因斯坦的第二和第三篇論文,主要是通過對于布朗運動的研究,對于分子運動進行了定量式的分析,而他的第四和隨后的第五篇論文,則提出了狹義相對論。這些論文,無論哪一篇,都為愛因斯坦贏得了世界性的聲譽。
唯有第一篇論文,那篇《關于光的產生和轉化的一個試探性觀點》,被當時物理學界的大多數人看作是一個荒唐的笑話。
在這篇論文里,愛因斯坦將光看作一個一個離散的量子,也就是我們今天所謂的光量子。愛因斯坦之所以這樣猜測,是基于普朗克當時為了解決黑體輻射的紫外災難問題,而提出了方程E=hv。根據普朗克這個方程,輻射的能量等于頻率乘以一個常數h(也就是普朗克常數)。
在普朗克看來,他提出這個方程,完全是一種權宜之計,目的是從數學上解決紫外災難問題。但這個方程實際的物理含義,普朗克并沒有多想。事后,普朗克曾說:“量子化純粹是一個形式上的假設,除了不論任何代價我必須算出一個確定結果之外,我確實沒有對它給予太多的考慮。”
但愛因斯坦卻敏銳地意識到,這個方程其實意味著,輻射是不連續的,而是以波包的形式,一個一個地輻射出去,每一個波包的能量E,等于頻率乘以h。而這些不連續的、離散的波包,便是光量子。
普朗克對于愛因斯坦的后面幾篇論文,全都贊不絕口,他是狹義相對論熱情的支持者。然而對于基于他自己的方程而提出的光量子假說,普朗克則不屑一顧。但作為一名前輩,普朗克寬容地表示,這是愛因斯坦作為年輕人犯下的一個小錯誤:“他的推斷有時不一定完全正確,比如光量子假說中的推斷,但這不能真的怪他,因為即便是在最精確的科學中,有時如果不冒險嘗試一把,是不可能引進真正新穎的觀點的。”
即使在1922年愛因斯坦被授予諾貝爾物理學獎的時候,頒獎委員會依然在頒獎詞中避免提及光量子這個詞,畢竟,這是偉大的愛因斯坦先生犯下的一個小錯誤。愛因斯坦的傳記作者曾寫道:“從1905年到1923年,愛因斯坦是唯一一位,或者說幾乎是唯一一位,認真對待光量子的人。”
1922年,還有一個人也獲得了諾貝爾物理學獎。那就是玻爾。實際上,愛因斯坦獲得的是1921年的諾貝爾物理獎,但卻直到1922年才授予。在這場諾獎典禮上,所有人的焦點都放在了愛因斯坦身上。畢竟從1905年開始,愛因斯坦已經獲得了數次諾貝爾獎的提名,如今終于眾望所歸得獎了。玻爾的光芒完全被愛因斯坦所遮蔽。
冥冥之中,玻爾注定是要與愛因斯坦糾纏一輩子的人。
(二)
玻爾曾經當過J·J·湯姆遜和盧瑟福的助手。湯姆遜和盧瑟福當時正在比賽看誰能先搞清楚原子結構。湯姆遜想象原子像一個大西瓜,電子就是西瓜子,而正電荷物質就像西瓜瓤,正電荷物質像西瓜瓤一樣均勻地包裹住帶負電的電子,所以原子呈電中性。而盧瑟福則提出原子行星模型。他認為原子里有一個帶正電的原子核,電子就像地球圍繞太陽那樣,圍繞著原子核轉動。
無論是湯姆遜還是盧瑟福,他們的原子模型都是不成立的。根據麥克斯韋的理論,任何帶電物質,只要運動,就一定會發生輻射,而電子的能量太小太小了。如果電子真的在運動,那么電子會因為輻射而迅速失去能量,旋轉跌落進原子核里。
玻爾在湯姆遜手底下沒有取得任何進展,于是申請進入盧瑟福的團隊。盧瑟福同意接收玻爾,當然條件是湯姆遜同意。兩人雖然是競爭關系,但確實都是君子,湯姆遜同意了,當然也是因為,湯姆遜并不喜歡玻爾。
盧瑟福讓玻爾想辦法找到一個穩定的原子模型,玻爾立刻便想到了普朗克的E=hv方程。也許,電子并非連續性地輻射,而是一個量子一個量子、輻射出離散的能量。與此同時,電子運動的軌道,也不能是任意的,而是按照hv的整數倍排列,電子只能在特定能量軌道上運動。而在軌道與軌道之間,電子則以躍遷的方式變換軌道。
玻爾和愛因斯坦的靈感,都來自于普朗克,而且他們都堅定地相信,能量是以離散的、量子的方式被輻射出去。按理說,兩人應該是難得的知己、并肩的戰友。但很奇怪,兩人的世界觀,從一開始就有根本性的區別。
玻爾非常反對愛因斯坦的光量子假說,因為光量子假說會破壞經典的電動力學,這是玻爾保守的一面。但玻爾對基于統計學的概率分析卻非常接受,甚至不惜放棄經典物理學的因果關系。而愛因斯坦恰恰相反,愛因斯坦一生都在對經典物理學進行革新,他推翻了牛頓的絕對時間和絕對空間,否定了同時性,又用光量子推翻了經典電動力學。然而,愛因斯坦一生都不愿意放棄經典物理學的因果關系。有果必有因,上帝不會擲骰子,愛因斯坦完全不能接受一件事之所以發生僅僅因為這件事可能發生。
玻爾與愛因斯坦矛盾的激化,就在兩人同時拿到諾貝爾物理獎的第二年。1923年,美國物理學家阿瑟·康普頓,發現了“康普頓效應”,也就是光線反彈電子后,光線頻率發生了改變。這不是波的行為,而是粒子的行為。
我們可以想象,當水波撞上堤壩,水波被反彈回去,水波的頻率是不會改變的。但如果假設光是粒子流,每一個這種粒子都具有愛因斯坦光量子的能量,那么,他得到的計算結果就與他的實驗數據完美契合了!
康普頓效應,讓被世人忽視了多年的光量子假說,不得不獲得嚴肅的對待。就連最保守的科學家,也不得不承認,愛因斯坦也許是對的。
但玻爾,即使到了這個時候,他依然是近乎偏執而愚蠢地,用盡一切辦法反對光量子。用戴維·林德利的話說:“尼爾斯·玻爾的反應甚至超出了懷疑,表現出了明顯的敵意。他的倔強幾乎到了愚蠢的地步。他比以往更強烈地堅持認為光量子不可能是真實的,并花一年時間炮制了一個原子發射和吸收的粗糙理論,完全否認光量子在其中的任何作用。”
這個林德利口中的“粗糙理論”,就是BKS理論。
(三)
時間回到1916年。年輕的物理學家亨德里克·克拉莫斯懷著崇敬的心情,敲響了玻爾的家門。克拉莫斯當時剛剛獲得物理學學位,但他想了解更多當時正在興起的量子理論。
很快,克拉莫斯成為了玻爾的助手,他倆是天造地設的一對。沃爾夫岡·泡利,這個玻爾的另一名助手,這樣評價克拉莫斯:“玻爾是真主,克拉莫斯是他的使者。”作為物理學界的第一毒舌,很難搞清楚泡利這句話到底是在夸獎克拉莫斯,還是在諷刺克拉莫斯。但毫無疑問,克拉莫斯具有極好的數學基礎和敏捷的學習能力,能夠快速地把玻爾的思想轉化為定量的理論分析。
1921年,克拉莫斯因為研究光譜線中,一些譜線比另一些譜線更亮的原因(振幅強度),而開始構思一個光量子與一個類似電子的粒子相互作用的方式。很快,他得出了一個簡單的碰撞定律。根據克拉莫斯的傳記作家馬克思·德累斯頓的說法,“這與康普頓不久后應用的具有重大意義的定律完全相同”。
克拉莫斯激動地將自己的發現告訴了玻爾,然而玻爾卻堅持認為,光量子的想法站不住腳,根本不容于物理學。克拉莫斯的妻子事后回憶說,玻爾一遍又一遍地說服著自己丈夫,最終讓克拉莫斯承受不了巨大壓力而病倒。
當克拉莫斯出院后,他徹底向玻爾屈服了。克拉莫斯沒有發表自己的發現,而是將筆記全部燒毀。而就在他這樣做不久,康普頓向全世界公布了這個與他想法非常相似的理論。
克拉莫斯對此的反應如何呢?克拉莫斯變得跟玻爾一樣,瘋狂而偏執地攻擊康普頓的理論。而且,玻爾和克拉莫斯很快還找到了第三位同盟者,一個不情不愿、誤上賊船的同盟者。
1923年的秋天,美國物理學家約翰·斯萊特前往歐洲游歷,來到了玻爾所在的哥本哈根。斯萊特本人是接受愛因斯坦光量子理論的,但他依稀看到了一種可能性:既能保持光的波動學說,同時保留光量子的地位,光既是波,也是粒子,這二者其實是可以共存的。
斯萊特將自己的想法告訴了玻爾,玻爾大感興趣,但他感興趣的點,僅僅在于保持波動學說這個部分,而對于光量子部分毫無興趣。玻爾將斯萊特留了下來,與克拉莫斯一起,開始對斯萊特的理論進行改造。斯萊特滿懷期待地給家人寫了封信,表達了因為自己的想法受到玻爾這樣一位大人物的認真對待而感到振奮的心情。
1924年1月,論文完成并發表,作者署名為玻爾(B)、克拉莫斯(K)、斯萊特(S),即BKS理論。
(四)
BKS理論用一種輻射場取代了光量子,也能解釋康普頓效應,但問題是,代價也挺大的。BKS理論想要成立,一個不得不付出的代價就是,必須放棄動量守恒和能量守恒原則。玻爾對此表示接受,他提出能量守恒只是統計取平均的結果。這是玻爾性格中奇妙的地方。他覺得光量子對于經典電動力學是一種大逆不道的存在,卻愿意用統計學的概率分析,輕而易舉地拋棄掉能量守恒原則。
愛因斯坦被徹底激怒了。他評價BKS理論“相當武斷”,甚至“令人厭惡”。愛因斯坦在給馬克思·玻恩的一封信中說,如果BKS理論被證明為真,“我情愿當一個修鞋匠甚至賭場工人,也不愿當一名物理學家”。幸運的是,BKS理論很快就被實驗證明是錯誤的了,所以愛因斯坦不需要去當修鞋匠或者賭場工人。
1925年春,玻爾承認了BKS理論破產,但“死的光榮”。而也是1925年,法國物理學家路易·德布羅意在法國科學期刊《物理紀事》上發表了自己的論文,提出了波粒二象性的觀點。終于有人開始提出,光既可以是波,也可以是粒子,二者其實并不矛盾。而這個觀點,原本斯萊特是有可能提出的。
斯萊特后來說,他終其一生,都為自己的想法遭到玻爾如此的損壞而感到痛苦,自己的想法被玻爾揉進了一個他并不真正贊同的理論中。至于克拉莫斯,在BKS理論被證明徹底破產后,他陷入了抑郁癥之中,這個聰明的物理學者,在他之后的一生中,再也沒有為物理學做出什么有用貢獻了。
克拉莫斯離開后,玻爾又招了一位新助手。那是一個來自德國的年輕小伙子。當時的德國,希特勒剛剛因為參與啤酒館暴動而被判處五年監禁,整個德國已經陷入到經濟和政治的動蕩之中。這名德國小伙子,想要在科學上,重新豎立起德國的尊嚴。他的名字叫海森堡。
根據今天的物理史學家的觀點,BKS理論,是將量子力學與經典物理學相融合的最后一次嘗試。BKS理論的失敗,標志著量子力學必須徹底拋棄經典物理學,重新建立自己的理論基礎。而海森堡最終與玻爾一起,通過矩陣力學、不確定原理、互補性原理,建立起了與經典物理學完全不同的、全新的量子力學理論體系。
這套被今天稱為“哥本哈根解釋”的量子力學理論體系,融合了玻爾的概率論世界觀,量子的波動性被看作是一種概率波。就像玻爾一直無法接受愛因斯坦的光量子理論一樣,愛因斯坦的后半生,也一直在與玻爾的“哥本哈根解釋”進行著斗爭,愛因斯坦無論如何都無法接受,作為這個世界最基礎構成的量子,其運行規則完全是基于概率的隨機性。然而這一次,正確的人似乎變成了玻爾。
愛因斯坦和玻爾,這兩個同時被普朗克所啟發的少年才俊,卻因為不同的世界觀,最終走向了不同的兩條路。他們一生都互相尊敬,同時也互相攻擊著對方的理論。