奥本海默错过第五次索尔维会议

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2024-05-29 09:05

1927年10月，著名的第五次索尔维会议，群星云集。图源：维基百科

导读：

1927年在比利时召开的第五次索尔维会议，是一次空前绝后的会议，物理学界的明星云集，讨论的核心正是爱因斯坦写给玻尔的信中的一个问题：上帝掷骰子吗？

遗憾的是，后来在美国加州大学伯克利分校开辟量子力学问题研究和教学的奥本海默，错过了这一盛会。

[英] 瑞·蒙克 | 撰文

《奥本海默：深入核心》 | 来源

1927年7月中旬，在欧洲拿到了博士学位的奥本海默从利物浦登船前往纽约，计划在夏天的剩余时间里和家人待在一起，然后十月份到哈佛开始他的博士后研究工作。

在某种程度上，一名量子物理学家在这个时候离开欧洲是不幸的。因为量子力学史上最重大的两件事即将发生，先是在意大利，然后在比利时。

J·罗伯特·奥本海默（J. Robert Oppenheimer，1904年4月22日—1967年2月18日），美国理论物理学家，在第二次世界大战期间领导洛斯阿拉莫斯实验室，其参与的曼哈顿计划最终研发出用于轰炸广岛与长崎的首批核武器，因此也被称为“原子弹之父”。图源：维基百科

第一件事就是尼尔斯· 玻尔提出了互补原理，它与海森伯的不确定性原理共同构成了所谓量子力学的哥本哈根诠释，奥本海默后来一有机会就强调这个理论多么重要。互补原理认为，波和粒子是光子和电子事实上存在的互斥又互补的两个方面。光确实是由类粒子的量子（光子）组成的，同时也确实是由波组成的。使用何种测量方法决定了我们观察到的是波还是粒子，但是永远不会二者皆是。然而，要完全理解光子和电子，这两方面又缺一不可。玻尔认为，我们绝不能试图将波简化成粒子或者将粒子简化成波，相反，我们必须接受它们互相补充。

1927 年 9 月，国际物理学大会在意大利科莫召开，玻尔在会上宣读了一篇题为《量子公设和原子理论的晚近发展》的论文，文中提出了互补原理。他在论文中指出，互补性是量子理论建立的基石。玻尔称，比如说不确定性原理只不过是互补性的结果，我们不能同时准确测量位置和动量是一个特例，而它背后更普遍的事实就是，我们不能同时看到作为粒子和作为波的电子或光子。除了互补原理和不确定性原理，玻尔又加上了玻恩对薛定谔波函数的统计学诠释，他将这些看作一套完整的理论——量子力学，尽管其他人则认为，这三者只在量子力学的哥本哈根诠释中作为基本要素。不管怎么说，这是 20 世纪物理学中的影响最大、最重要的一套理论，其影响超越了物理学本身，进入了最基本、最普遍的哲学思想领域。

如果说玻恩对波函数的统计学诠释需要人们放弃决定论，那么不确定性原理则迫使人们放弃古老的因果概念：认为知道一个物体位置和动量的全部信息，就可以由因及果地预测其未来。同时，互补原理似乎迫使我们重新思考，我们在观察周围的事物时不会对它们产生干扰的“外部世界”概念。根据玻尔的理解，观察就是测量，而测量就是在影响我们面对的是波粒二象性中的哪一个方面（因为正是测量的方法决定我们看到的是波还是粒子）。弗吉尼亚· 伍尔芙曾经在强调“马奈与后印象派”艺术展的重要性时说过一句名言：“1910 年 12 月前后，人的特性变了。”怀着同样的心情，人们可能也会说：“1927 年 9 月前后，物理世界变了。”

来自世界各地的七十多位物理学家参加了科莫会议。玻恩在会上宣读了关于波函数统计学诠释的论文。海森伯出席时虽然没有宣读论文，但他发言支持了玻尔的论文，并在会上简要介绍了自己的不确定性原理。到会的还有卢瑟福、德布罗意、沃尔夫冈· 泡利、阿诺德· 索末菲和阿瑟· 康普顿。如果奥本海默那时在欧洲，他肯定也会参加。

1927 年秋天影响物理学的另一个重大事件，是十月份最后一周在比利时举办的第五届索尔维会议。索尔维会议（以它的赞助人和创立者比利时实业家欧内斯特· 索尔维命名）创始于 1911 年，第一次会议以“辐射与量子”为主题，旨在集中世界上杰出的二十几位物理学家，共同讨论解决一个长期悬而未决的问题。第一届会议的明星是年轻的阿尔伯特· 爱因斯坦。1913 年第二届会议后，这一系列会议因第一次世界大战而被迫中断，又因为德国物理学家在战后受到排斥而大受影响，使得 1921 年和 1924 年的第三、四届会议在众多顶尖物理学家缺席的情况下举办，对最根本问题的讨论陷入困境。

第五届索尔维会议没有受到这些问题的困扰。出于多种原因，国际理论物理学界的科学家们都以饱满的热情期待这次会议。首先，会议主题“电子与光子”是当时的热点话题，而且邀请函（索尔维会议实行严格的邀请制）的措辞明确提出“会议将主要探讨新量子力学以及与之相关的问题”。其次，由于德国已于 1926 年加入国际联盟，德国科学家不再被视为敌国公民，这就意味着这次会议不仅可以邀请马克斯· 普朗克这样的量子论先驱，而且也能邀请德国年轻一代的顶尖物理学家，比如创立、发展和塑造新量子理论的海森伯和玻恩。最后，德国物理学家重返国际学界，意味着这一新理论的主要反对者阿尔伯特· 爱因斯坦可以公开与它的主要支持者展开论战了。

这样，这场空前绝后、将会永垂史册的量子力学科学和哲学大辩论即将拉开帷幕。新理论所有显要的支持者和反对者都将在此汇聚一堂。玻恩、海森伯和玻尔早已阐明并强调了新理论将会造成根本性的结果。

除了这三个人以外，为新理论辩护的还有保罗· 狄拉克和沃尔夫冈· 泡利。反对者的代表是爱因斯坦、普朗克、薛定谔和德布罗意。到会的还包括玛丽·居里、阿瑟·康普顿和拉尔夫·福勒。这些科学家厥功至伟：在与会的二十九人中，有十七人已经或将要获得诺贝尔奖。他们的讨论将要确定的不仅是新的物理学理论，还是一场已有预兆的人们思考决定论、因果论和科学理论本质的方式的根本性转变。在这次会议上被反复提及的一句话凝结了这次辩论的核心问题，也就是爱因斯坦在写给玻恩的信中提出的问题：上帝掷骰子吗？

会议从 10 月 24 日星期一持续到 10 月 28 日星期五，采用的形式是与会人员先听取量子力学的各个方面的报告，每篇报告结束后再展开漫长的讨论。整个会议只宣读了五篇报告，因为组委会一定要预留出充足的讨论时间。第一天，来自曼彻斯特的威廉· L. 布拉格作了关于 X 射线反射的报告，阿瑟· 康普顿汇报了光电效应。第二天，路易· 德布罗意在他的报告《新的量子动力学》中简要阐述了自己的观点并为自己辩护。他认为，波和粒子同时存在，但并非玻尔和玻恩想象的那样，而是由波牵引或“引导”着粒子运动。几乎所有参会代表都不赞同他的观点。

对于前面几份报告，爱因斯坦一直保持沉默。甚至在 10 月 26 日星期三玻恩和海森伯宣读了两人合作的关于量子力学的报告时，他也一言不发。这篇报告似乎经过专门设计，刺激爱因斯坦参与讨论。文章提纲挈领地简述了矩阵力学、变换论、概率诠释、不确定性原理和互补性后，玻恩和海森伯斩钉截铁地为报告作结：“我们认为，量子力学已经是一套完备的理论，无须怀疑其根本的物理和数学假设有任何改动的空间。”

在会议的最后一天，所有报告都已宣读完毕，组委会留出了一整天时间进行广泛的自由讨论，将会议推向高潮。直到此时，爱因斯坦才终于开口。果然，讨论主要在玻尔和爱因斯坦之间进行，先是爱因斯坦指出他所认为的量子力学中的一个致命缺陷，然后玻尔做出回应，无一例外地抓住了爱因斯坦观点中的缺陷。埃伦费斯特在写给他在莱顿大学的学生们的一封信中说，玻尔居于“万人之上……过关斩将，无人能敌”。

这反映了普遍的看法。会议结束时，海森伯写道：“我对会议在科学上的结果，对其各个方面都非常满意。玻尔和我的观点得到了普遍认可，至少不会再有人提出需要深思熟虑的反对意见了，即使是爱因斯坦和薛定谔也不会。”

在科莫会议上，量子力学得到了明确的最终阐述；在第五届索尔维会议上，量子力学以和科莫会议上相同的方式，战胜了最具影响力的怀疑者。人们可能猜测，当他矢志不渝的事业开花结果、节节胜利的时候，奥本海默会非常渴望身处欧洲。然而，和站在现代物理前沿的愿望相比，更强烈的情感是他对美国的爱。1927 年夏天，就在量子力学即将取得最伟大的胜利之时，他最强烈的愿望却是回家，毕竟他已经离家近两年之久，思乡若渴、归心似箭。