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傑出的物理學家玻恩（M．Born，1882－1970）於1926年提出波函數的「統計解釋」，不僅對量子力學的發展做出巨大貢獻，而且對人們認識世界的思想方法產生深刻影響。但是，由於他的新觀念背離了經典物理學的舊傳統，長期受到少數權威人士的堅決反對。因此，直到1954年他才勞獲諾貝爾獎金，這比公認他應該獲獎的1923年整整推延了22年。 意外落選的傑出科學家 1932年，瑞典皇家科學院把諾貝爾物理學獎金授予量子力學的創始人之一海森堡（W．Heisenberg，1901－1976），這是誰都預料到的事。但是，使人吃驚的是海森堡的老師和合作者、波函數統計解釋的創始人玻恩卻意外地落選，沒有分享這一榮譽。就連一向謙虛持重的玻恩也覺得突然，這件意外的事給他感情上造成了巨大的創傷。 在一件科學大事發生所引起的轟動和議論尚未平息時，過早地報導和匆忙做結論是危險的。特別是有知名的權威反對時，這種危險就更大了。諾貝爾獎金委員會的每一個成員都深知這種問題的嚴重程度。因此，為了維護諾貝爾獎金這一科學界「最高獎賞」本身的榮譽，往往把一項重大科學成果的授獎時間推延若干年。在沒有把握評定有爭議的項目正確與否時，諾貝爾獎金委員會寧願冒保守主義之名而不敢擔敢做敢為的風險。在諾貝爾獎金遴選委員會採取的一條「旨在減少授獎中的錯誤而不是減少不授獎中的錯誤」的原則下，玻恩直到1954年才「由於量子力學的基礎研究工作，特別是對波函數的統計解釋」而與玻特（W．Bothe，1891－1957）分享該年度諾貝爾物理學獎金。這是在玻恩提出波函數統計解釋的28年之後，此時他已經是一位72歲的退休老人。 從現象上看，玻恩這麼晚才獲獎，似乎是諾貝爾獎金委員會謹小慎微所造成的結果，實際上，問題的原因並非如此簡單。 馬克斯．玻恩是著名的物理學家，1882年1月11日生於德國佈雷斯勞的猶太人家庭，先後在海德堡、蘇黎士、哥廷根和英國劍橋等地求學。他在哥廷根大學學習時曾做過大數學家希爾伯特（D．Hilbert，1862－1943）的「私人助理」，1907年獲博士學位，畢業後在柏林騎兵團服役一年；接著去英國岡維爾和凱恩斯學院當研究生；1908年在哥廷根隨大數學物理學家閔可夫斯基（H．Minkowski，1864－1909）搞相對論；1915年任柏林大學教授，替普朗克（M．Planck，1858－1947）分擔講課任務；1919年與勞厄（V．Laue，1879－1960）對調，到法蘭克福大學做研究工作；1921年接替德拜（P．Debye，1884－1966）任哥廷根大學物理系主任，理論物理學教授；1933年希特勒上台後，玻恩赴英國僑居，在劍橋大學和愛丁堡大學任教，1939年加入英國國籍；1953年退休回德國，1970年1月5日在哥廷根逝世。 玻恩思想活躍、學識淵博，在很多領域都有較深造詣，是勤奮高產的科學家。他一生共發表300多篇論文和20多本書，取得的成就是多方面的，特別是對量子力學發展的卓越貢獻，在整個物理學界具有極大影響，享有很高聲譽。如今，在所有關於量子力學及其理論解釋的書刊中，幾乎都要提到玻恩及其貢獻。據《科學引文索引》統計，玻恩是1961－1972年間被引用最多的50位作者之一。在一本十幾萬字的《量子史話》中，竟幾十次提到玻恩的名字，足見他的影響之大。 玻恩還是優秀的導師，他在哥廷根大學一直主持理論物理研究工作，在玻恩等人的領導下，哥廷根大學成為世界理論物理的一個重要研究中心。許多青年學者都嚮往到此深造，他的周圍聚集了強大的理論物理學隊伍，在量子力學的創立和發展中，一直起著主導作用，是量子力學正統學派的一支主力。玻恩擅長演講，對學生態度親切而不拘小節，一些著名的物理學家曾是他的學生、助手和合作乾，如諾貝爾獎金獲得者海森堡、泡利（W．Pauli，1900－1958）、梅耶夫人（M．Mayer，1906－1972），斯特恩（W．Stern，1871－1938），還有量子化學的重要創始人倫教（F．London，1900－1954）和「原子彈之父」奧本海默（J．R．Oppenhe-imer，1904－1967）等。 提出背離經典力學的波函數統計解釋 1926年1月，幾乎在玻恩等人創立矩陣力學的同時，奧地利物理學家薛定諤（E．Schrodinger，1887－1961）建立了波動力學的基本方程，即著名的薛定諤方程。方程中的未知量Ψ被稱為波函數。從此，波函數Ψ做為一個重要的新概念登上量子力學舞台。薛定諤的新理論提出不久，就取得了非凡的成功，應用薛定諤方程，從Ψ中做出了大量有用的運算結果。但是Ψ函數本身的物理意義卻模糊不清，使許多物理學家感到迷惑不解，大傷腦筋，明顯地影響了量子力學的發展和傳播。幾個月之後，薛定諤把Ψ函數解釋為電子形成的波，並且用|Ψ|2來量度電子電荷分散開的程度。然而，這種解釋與電子真實行為完全不一致，很快就被否定了。 就在薛定諤的論文（第四篇通信）投到《物理學年鑒》後的第四天，另一家雜誌《物理學時代》收到了玻恩的一篇論文，題目是「碰撞過程的量子力學」，發表在1926年6月25日出版的《物理學時代》第37捲上。在這篇不足5頁的簡短論文中，玻恩首次提出波函數的幾率解釋。 玻恩當時認為，薛定諤的「波動力學是量子定律更深刻的表達形式」，其方式是每個物理學家都比較熟悉的，「但是在他看來，薛定諤的波動解釋是站不住腳的」。玻恩回憶道：「我在弗蘭克（J．FRANCK，1882－1964）關於原子和分子碰撞的卓越的實驗中每天都目睹粒子概念的豐碩成果，因而確信，粒立不能簡單地取消。必須發現使粒子和波一致起來的途徑。我在幾率概念中發現了銜接的環節」。玻恩又說：「愛因斯坦（A．Einstein，1879－1955）的觀念又一次引導了我。他曾經把光波的振幅解釋為光子出現的幾率密度，從而使粒子（光量子或光子）和波的二象性成為可以理解的。這個觀念馬上可以推廣到Ψ函數上：|Ψ|2必須是電子（或其它粒子）的幾率密度」。在緊接著發表的長篇論文和以後的著述中，玻恩詳細討論並進一步發展了他對波函數的統計解釋。 「玻恩解釋的描述方式，同光的波動理論把電磁波振幅的平方看做輻射強度相似，……Ψ（x）Ψ(x)dx與無窮小區間x∼x＋dx內發現電子的幾率成正比」。德布羅意（L．DeBronglie，1892－1960）所說的物質波實際是幾率波。以氫原子為例，|φ（q）|2表示電子在核外某點q處出現的幾率密度，很明顯，電子在核外「各處出現的幾率密度總和必定為1（100％），∫|Ψ（q）|2dq＝1」。幾率是多次觀測的統計平均值，對單獨一次實驗而言，無法預言電子出現的準確位置，多次觀測結果則可以找到電子在各處出現的幾率。由於幾率是用統計的方法得出的，因此，幾率解釋也常常被稱為統計解釋。通過粒子「統計分佈的確定」和波函數的「三個性質原則」，可以看出波函數的明確物理意義和巨大應用價值。 玻恩早就注意到，1921年關於原子束在不均勻磁場中偏轉的實驗「是古典力學在原子範圍裡不適應和必須代之以新的量子力學的基本證明之一」。1927年海森堡發現的「不確定原理」則進一步證明波函數統計解釋的正確性。它反映了電子運動的不確定性和遇然性，揭示了波粒二象性的本質和微觀世界的特殊規律，物理含義明確，與量子力學其它部分連貫一致，很快被絕大多數物理學家所接受，充滿了幾乎所有涉及量子力學的教科書和各種文獻而廣泛傳播。 1975年8月25日，英國物理學家、量子力學創始人之一狄拉克（P．A．M．Dirac）在澳大利亞新南威爾士大學做「量子力學的發展」演講中指出：「當然，對原子所做的實驗結果確與幾率有關。根據新力學，我們能夠計算出這些幾率，……我們發現計算和觀測結果互相符合。……根據公認的標準原理概念，……以薛定諤方程中波函數為基礎的幾率解釋，是人們能夠做出的最好解釋，人們為改進這種解釋做了許多努力，力求獲得比僅僅是一些幾率更多的信息，但所有這些努力都以失敗告終，根據現在的量子力學理論……幾率解釋是正確的」。 波函數的統計解釋奠定了量子力學的理論基礎，成為量子邊學的核心解釋和基本要點。它使人們看清了量子力學各種不同數學表達形式的相同物理本質，可以認為，量子力學是統計性的數學物理理論。這就大大地推動了量子力學的發展和在各個領域中的應用。 少數權威反對致使授獎時間推延 波函數的統計解釋對量子力學的發展有巨大的貢獻，屬於物理學上「最重要的發現」。符合諾貝爾遺囑中規定的授獎條件。特別是1929年德布羅意因發現電子的波動性獲得諾貝爾獎金後，廣大物理學家的呼聲和玻恩本人的感覺，都認為到應該獲獎的時候了。可是，玻恩不僅1932年未能與海森堡分享諾貝爾獎金，而且在以後的量子力學方面的獲獎者中，也長期沒有玻恩的名字。 雖然諾貝爾金各委員會的討論都是秘密進行的，對遴選過程和哪些人曾被提名為候選人一事至今緘口不言，但是玻恩長期未能獲獎的原因「顯然」「是由於科學界中關鍵人士的極力反對……，而不是由於各委員會的因循耽擱」。對此，玻恩曾有過一段感觸很深的評論，他說：「我對Ψ函數的統計解釋……雖然佔壓倒多數的物理學家都接受了這種哲學，但是始終有一些物理學家不接受這種哲學，在他們中間有像普朗克、愛因斯坦、德布羅意和薛定諤這樣偉大的人物，他們在量子理論的第一個時期都是領袖人物，這可以說明為什麼要在28年以後我才因我的工作而被授予諾貝爾獎金（1954年）」。1948年，玻恩在英國牛津大學瑪格達欏學院一次講座中，提到波函數的統計解釋和量子力學的統計性遭到反對時說：「儘管它已為我們這一代的物理學家所普遍接受，但是一直遭到兩個人的堅決反對，這兩個人恰恰對量子物理的創立比任何其他人都貢獻得多，這就是普朗克和愛因斯坦」。海森堡在《20世紀物理學中概念的發展》一文中說：「也像在相對論的場合一樣，這裡也出現了對新的觀念方案的強烈反對意見，而且甚至包括了愛因斯坦、勞厄和薛定諤這樣一些最有權威的物理學家」。 愛因斯坦是「極力反對」波函數統計解釋的「關鍵人士」，「他終生始終不滿意通常賦予量子力學解釋的幾率性質。他對這種解釋作了最尖銳的批評」。起初，這種反對只限於他同玻恩和其他少數幾位朋友的私下接觸中，例如，他在1926年12月16日給玻恩的信中說：「最子力學當然是儀表堂堂的，但是，有一種內在的聲音告訴我，它還不是真正的實貨，這個理論講一套碰運氣的拈鬮術，而不是真正把我們帶到任何更接近於瞭解上帝秘密的境地。無論如何，我相信上帝是不投骰子的」。到1927年，面對大多數人接受波函數和量子力學統計解釋的局面，愛因斯坦感到有必要讓廣大物理學家知道自己的觀點，於是在當年10月舉行的第五次索爾維（E．Solvay，1839－1922）會議上，發表了題為「電子和光子」的演講，提出公開反對意見。但是，愛因斯坦的觀點並沒有得到多少人的支持，結果失敗了。 此後，波函數的統計解釋被越來越多的事實所驗證，為越來越多的物理學家所接受，在越來越多的領域取得成功。但是，這絲毫沒有動搖愛因斯坦所持的反對態度，不同的只是把矛頭所指從「不正確」轉向「不完備」。1935年5月初，愛因斯坦與兩位年輕的同事玻道爾斯基（B．Podolsky）和羅森（N．Rosen）在《物理學評論》第2輯第47捲上發表了「能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎？」即著名的「E．P．R．悖論」，指出「波函數所提供的關於物理實在的量子力學描述是不完備的」。當時（5月4日）的《紐約時報》稱這篇論文是「愛因斯坦攻擊量子理論」。同年9月11日，愛因斯坦在給一個朋友的信中說，量子力學「像現在所用的這種原則上是統計性的描述的[方法]，只能是一種暫時的過渡狀態」。1947年和1948年，愛因斯坦在給玻恩的信中說：「我完全相信，終於會有人提出一種理論，在這個理論中用定律聯繫起來的對象，並不是幾率」，「最後要使理論基礎擺脫統計概念」。 隨著科學的發展和人們認識水平的提高，愛因斯坦的觀點受到越來越多的批評，陷於十分孤立的境地。1949年，他在「對批評的回答」一文中承認，量子力學是「迄今為止唯一能把物質的粒子和波動的兩重特徵以邏輯上令人滿意的方式統一起來的理論」。但是他對量子力學仍然「反感」，認為波函數做為「休系整體的一個統計性的描述」「是不完備的」，「是使人迷惑」的「暫時成功」，而不是「原則性的考慮」。1953年，愛因斯坦寫了《關於量子力學基礎的解釋的基本意見——贈給馬克斯．玻恩的科學論文集，為紀念他從愛丁堡大學台特自然哲學講座退休》一文，繼續同玻恩進行激烈的爭論。直到1954年愛因斯坦逝世前幾個月，他在同海森堡談到量子力學的解釋時，仍然互相不能「說服」，愛因斯坦堅持認為統計性的量子力學「這樣的方案不可能是自然的最終描述」。 薛定諤因創立波動力學而蜚聲物理學界，他始終反對波函數的統計解釋。1928年，他在一次演講中說：「關於Ψ函數的明顯的統計解釋，……這種觀點有點不能令人滿意」。1952年，他為慶祝德布羅意60壽辰而寫的「波動力學的意義」中，稱波函數的幾率解釋為「超經驗的，幾乎是心理上的解釋。這種解釋立即受到絕大多數第一流的理論家的歡呼，把它當作唯一符合於實驗的解釋，而且這種解釋現在已經成為人人都接受的（只有少數值得注意的人除外）正統教義了」。這使「德布羅意和我一樣都感到震驚和失望」。 至於普朗克，他直到逝世的時候都屬於懷疑派，支持薛定諤而反對玻恩關於波函數的統計解釋。 像愛因斯坦這樣的科學權威，哪怕只有他一個反對，也足以使諾貝爾獎金委員會畏縮不前，甚至把一致同意的候選人從實際獲獎者的名單中悄悄地勾掉。何況還有薛定諤和德布羅意等幾個「偉大人物」同他站在一起呢？正是由於愛因斯坦等少數權威的一貫堅決反對，才使玻恩的獲獎時間整整推延了22年。1954年11月3日，玻恩獲獎後坦率地講出他「驚喜交集」的矛盾心理和感傷情緒：「1932年我沒有海森堡一起得到諾爾獎金，儘管海森堡給我寫了一封友好的信，這件事當時還是在我的感情上造成了巨大的創傷。」 新思想與舊習慣的激烈鬥爭 「科學中的進展不能老是通過用已知的自然律來解釋新現象的辦法來實現，在某些情況下，被觀測到的新現象只能用新概念來理解」。 本世紀20年代初，物理學正處於蓬勃發展又激烈動盪的時期，相對論取得成功，量子論方興未艾。玻爾（N．Bohr，1885－1962）用舊量子論解釋原子現象，實際是把新的量子化概念放到舊的經典力學軌道中，像用舊瓶裝新酒、穿新鞋走老路一樣，對於一些新問題顯得無能為力。為了擺脫這種困境，許多物理學家紛紛提出各種新的概念、學說和理論，出現百花爭艷的局面。物理學處於又一次重大革命的前夜，量子力學到了它的臨產時期。 一些具有新思想的物理學家，看清了這種形勢，積極探索恰當描述和完滿解釋微觀世界和原子事件的新理論，玻恩則是一個傑出的代表。玻恩一向主張創新，反對倒退。當相對論剛剛問世受到各種攻擊時，他積極支持並勇敢捍衛了這個偉大的新理論；1924年他預見到新理論即將出現，而把他寫的一部完整原子理論著作為第一卷；1925年他發現海森堡「運動學及力學諸關係的量子解釋」論文中的新方法很價值，立刻寄出發表，並且以此為突破口，與他的助手一起建立了矩陣力學。玻恩以實驗事實為基礎，創建背離經典物理框架的量了力學，體現了他敢於突破、大膽創新的先進科學思想。在薛定諤建立波動力學後，玻恩提出波函數的統計解釋，是歷史的必然。 「任何一項新的科學原理的發現都意味著對人們習以為常的傳統觀念的背離和決裂」。波函數的統計解釋第一次把幾率概念正式引進「精確的」物理學，從此物理學特別是微觀物理學必須考慮一個幾率的理論，「粒子的運動遵循幾率定律，而幾率本身則按因果律分佈」，這種解釋表明量子力學與經典力學的本質區別。「量子力學有它獨特之處，一般它只預言一個事件的幾率，而不對這個事件會不會發生作任何決定論的論斷」。量子力學以統計的方式揭示了微觀體系運動所具有的確定性與不確定、必然性與偶然性、波動性與粒子性之間的辯證前系，從而擯棄了經典力學中單值決定論、單純必然性和簡單因果性等傳統觀念。這不僅是物理學的一次重大革命，而且也是人類認識史上的一次新飛躍。正如玻恩本人在獲獎後所說的那樣：「與其說昌因為在我所發表的工作裡包括了一個新自然現象的發現，倒不如說是因為那裡面包括了一個關於自然現象的新思想方法基礎的發現」。對此，日本物理學家、諾貝爾獎金獲得者湯川秀樹評論說，量子力學「提出了比相對論更富於哲學性的問題，尤其是，一個原因並不一定產生一個結果，這種不確定性肯定對我們的思想方法產生深刻的影響」。 但是，幾千年來的文明發展史，從古希臘的德謨克利特（Democritus，約公元前460－前370）到近代的斯賓諾莎（Spinoza，1632－1677），人類認識的基本指導思想一直是單純必然性和簡單因果性觀念，反映在近代自然科學上則是牛頓（I．Newton，1642－1727）、拉普拉斯（P．Laplace，1749－1827）等人經典物理學中的單值決定論定律，現代物理學中愛因斯坦的相對論也基本如此。在經物理學中，任何物體的運動都被作用其上的諸力嚴格決定，例如，月亮愛地球引力作用以一定速度沿固定轉道繞地球運轉，可以按照牛頓運動定律準確算出它在某一時刻必然出現在哪一點，嚴格遵循簡單因果和單值決定論定律，從來不存在幾率問題。這就是19世紀整個精確和科學的基本哲學原則，也是愛因斯坦和玻恩所屬的這一代物理學家所得到的最基本教導。正是由於這種傳統觀念的驅使，愛因斯坦等一些物事學家，對舊量子論暴露出來的問題，不是積極向前探求全新理論，反而採取了墨守陳規，甚至拉向倒退的態度。 1954年，玻恩榮獲諾貝爾獎金後，在法國所作題為「量子力學的統計詮釋」的演講中指出：「愛因斯坦、德布羅意和薛定諤不停地在強調量子力學具有不能令人滿意的特徵，他們要求回到經典的牛頓物理學概念。」薛定諤還認為他的波動論有可能回到決定論的經典物理去；普朗克稱讚薛定諤用波動方程「重新建立了決定論」；德布羅意則認真嘗試尋找「隱參數」以「拯救決定論」。愛因斯坦比別人更不願意放棄決定論，他「嘲弄」統計解釋的擁護者是「相信上帝的權力要依靠擲骰戲」。愛因斯坦深信，我們這個世界根本不存在偶然性和非決定論，因為「是帝是不投骰子的」。1963年，狄拉克在「量子力學與自然現象的發展」一文中反覆指出，愛因斯坦等人「堅決反對放棄決定論」。可以認為，堅持回到經典力學的決定論是反對量子力學統計解釋的思想基礎和認識根源。 玻恩、玻爾、海森堡、泡利和狄拉克等一大批物理學家則認為，量子力學的發展及其解釋「回到牛頓的決定論是不可能的」，夢想「後退」「到牛頓一麥克斯韋（J．Maxwell，1831－1879）的經典格式」，那「是無望的」，它「違反時代精神」。玻恩指出：「經典物理的決定論已表明是一種假象，是由於過分重視數理邏輯的概念結構而產生的。它在探索自然中是一種偶像，而非理想，因此不能用它來反對關於量子力學的基本上為非決定論的統計解釋」。「只要我們容許速度數據哪怕有最小的不準確性，決定論就要變成非決定論」。1972年9月狄拉克在意大利國際理論物理中心所作題目為「物理學家的自然概念」的演講中說，量子力學「計算的是幾率，……解釋是統計性的。……沒有經典力學中的決定論，這是物理學家不得不去習慣的又一概念，他們必須放棄偏愛決定論的成見，而放棄這個成見是非常困難的」。不僅愛因斯坦一直反對量子力學，連普朗克、德布羅意等開闢量子力學基礎的人們也對最後建立起來的量子力學或多或少都有些牴觸，……可以說，對建立新物理學作出貢獻的人們有時也不能從舊想法中完全解脫出來。 衝破傳統觀念的束縛 對波函數統計解釋的不同態度，反映了新思想與舊習慣之間的深刻矛盾，要想解決這個矛盾，必須犧牲某些傳統觀念。 「科學總是革命的和非正統的，這是它本性」，其實質就在於不斷探索新領域，發現新規律，創立新理論，並用新眼光評價或更新舊觀點。但是，傳統觀念總是把已有理論當成包醫百病的萬應靈藥，希望它能解釋所有現象；對舊理論暴露出來的弊病，總是習慣於修修補補，維持原狀；而對新的發現和創造總是極力反對，或想方設法將其納入舊框架中。傳統觀念是科學發現、發明和創造的巨大障礙，它束縛人們的頭腦和手腳，該想的不敢想，該干的不敢幹。特別是科學界某些權威受傳統觀念影響嚴重時，造成的危害可能就更大了。由於過分迷信權威，如果科學發現有權威反對，結果就會造成該承認的不敢承認，該支持的不敢支持，使得創造精神受到扼殺，科學發展受到阻礙。因此，發展科學必須擺脫傳統觀念的束縛，破除對權威的過分迷信，徹底解放思想，在科學的征途上，做新發現的勇敢支持者，新領域的大膽探索者。 ------------------ 亦凡公益圖書館掃校 |
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