索爾維會議

索爾維會議

索爾維會議是比利時企業家組織舉行的國際物理學會議。20世紀初,一位比利時的實業家歐內斯特·索爾維創立了索爾維會議。1911年,第一屆索爾維會議在布魯塞爾召開,以後每3年舉行一屆。1927年,第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開了,因為發軔於這次會議的阿爾伯特·愛因斯坦與尼爾斯·玻爾兩人的大辯論,這次索爾維峰會被冠之以最著名的稱號。一張匯聚了物理學界智慧之腦的“明星照”則成了這次會議的見證,數十個涵蓋了眾多分支的物理學家都留下了他們的身影,愛因斯坦、玻爾更是照片的靈魂人物。

基本信息

會議背景

二十世紀初,實業家歐內斯特·索爾維創立了索爾維會議。

1911年,第一屆索爾維會議在布魯塞爾召開,以後每3年舉行一屆。

1927年,第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開了,因為發軔於這次會議的阿爾伯特·愛因斯坦與尼爾斯·玻爾兩人的大辯論,這次索爾維峰會被冠之以“最著名”的稱號。

索爾維會議照片索爾維會議照片

一張匯聚了物理學界智慧之腦的“明星照”則成了這次會議的見證,數十個涵蓋了眾多分支的物理學家都留下了他們的身影,愛因斯坦、玻爾更是照片的靈魂人物,被稱為是物理學的“全明星”合影!

雖然已經過去將近一百年,但是至今沒有第二張照片能出其右。

參會人員

愛因斯坦

愛因斯坦,美籍德國猶太裔,理論物理學家,相對論的創立者,現代物理學奠基人。

1921年獲諾貝爾物理學獎,1999年被美國《時代周刊》評選為“世紀偉人”。

愛因斯坦曾經是量子力學的催生者之一,但是他不滿意量子力學的後續發展,愛因斯坦始終認為“量子力學(以波爾為首的哥本哈根詮釋:“基本上,量子系統的描述是機率的。一個事件的機率是波函式的絕對值平方。”)不完備”,但苦於沒有好的解說樣板,也就有了著名的“上帝不擲骰子”的否定式吶喊!愛因斯坦到過世前都沒有接受量子力學是一個完備的理論。愛因斯坦還有另一個名言:“月亮是否只在你看著他的時候才存在?”

1927年10月參加第五屆布魯塞爾索爾維物理討論會,開始同哥本哈根學派就量子力學的解釋問題進行激烈論戰。發表《牛頓力學及其對理論物理學發展的影響》。

M·普朗克

第五屆索爾維會議討論的核心是有關量子力學的,而追溯量子力學就不得不提及一個人,那便是馬克斯·普朗克(Max Planck1858~1947,前排左二),德國物理學家,“量子力學之父”。

參加這屆索爾維會議時他已經69歲,德高望重,是當然的前輩。

19世紀末,揚棄古典物理學的觀念已提上日程。因而消除牛頓力學和麥克斯韋電磁場這兩大理論之間的不一致,就成為二十世紀物理學發展的前提。普朗克此時提出了一個大膽的假說,在科學界一鳴驚人。這一假說認為輻射能(即光波能)不是一種連續的流,而是由小微粒組成的。他把這種小微粒叫做量子。普朗克的假說與經典的光學學說和電磁學說相對立,使物理學發生了一場革命,使人們對物質性和放射性有了更為深刻的了解。

H·A·洛倫茲

荷蘭物理學家亨德瑞克·安圖恩·洛倫茲(Hendrik Antoon Lorentz,1853—1928,前排左四),在萊頓大學任教期間創立了電子論,並與塞曼因研究磁場對輻射現象的影響,發現塞曼效應,分享了1902年度諾貝爾物理學獎。

1904年他提出著名的洛侖茲變換公式,並指出光速是物體相對於以太運動速度的極限。

洛倫茲不僅是物理學界的明星人物,由於其通曉人文地理,且掌握多門外語,是國際物理學界的各種集會很受歡迎的主持人,此次物理學家的峰會便是由其主持。

P·朗之萬

這些物理界的明星人物中,有一人還對中國物理學會的成立起過積極的作用,那便是保羅·朗之萬(Paul Langevin,1872—1946,前排右四)。

朗之萬生於巴黎,1905年他看到愛因斯坦的論文後,對相對論表示了濃烈的興趣,並和愛因斯坦結下了深摯的友誼。他形象地闡述相對論並作了大量宣傳工作,因而有“朗之萬炮彈”的美稱。

1931年,正值“九一八事變”發生,朗之萬受國際聯盟委託來中國考察教育,對中國人民的抗日活動表示聲援。他甚至呼籲中國物理學界聯繫起來,催化了當時醞釀已久的中國物理學會成立。朗之萬本人也成為中國物理學會第一位名譽會員。

P.埃倫費斯特

埃倫費斯特(P.Ehrenfest,1880-1933,後排左三),荷蘭物理學家。如果說,玻爾的對應原理是在經典物理學和量子力學之間架起的一座橋樑,那么埃倫費斯特的浸漸原理則是兩者之間的又一座橋樑。

1906年,埃倫費斯特開始研究普朗克輻射定律的統計力學基礎。愛因斯坦對他的思想評價頗高,1914年稱埃倫費斯特的原理為“浸漸假說”。玻爾也充分肯定埃倫費斯特的貢獻,承認在自己後來的工作中浸漸原理起了很重要的作用。

P.A.M.狄拉克

保羅·阿德里·莫里斯·狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac,1902-1984,中排左五)是一位英國物理學家。他長期從事科學研究,創立量子電動力學;1928年建立“狄拉克方程”,即相對論形式的薛丁格方程;這個貌似簡單的方程式從理論上預言了正電子的存在,具有劃時代的意義;它對原子結構及分子結構都給予了新的詮釋。

1935年他曾來中國,在清華大學講學,並曾被選為中國物理學會名譽會員。

P.德拜

彼得·德拜(Peter Debye,1884-1966,中排左一),是出生於荷蘭的美國物理化學家,發明了著名的德拜相機,使得X光材料分析成為一門課程。

1936年,因通過偶極矩研究及X射線衍射研究對分子結構學科所作貢獻而獲諾貝爾化學獎。

M.居里夫人

物理學,在通常的認識中是被男性占據的領地。夢之隊差一點又將佐證這一常識,但偏偏就有那么個“出格”的人打破了這一“神話”,那便是居里夫人。

1867年出生的瑪麗·斯可羅多夫斯·居里(Marie Curie,1867-1934,前排左三)儘管受教育較晚,卻一點都沒阻攔她在物理學、化學等領域的研究和所作的貢獻。

居里夫人憑著堅韌的精神前進在嚴肅的學術領地中,她選擇“放射性”作為其一生要攻克的領地,研究了許多物質,發現釷及其化合物的特性與鈾相同。研究瀝青鈾礦時,她發現了鐳和釙。

1910年她成功地分離了純鐳。

因居里夫人的突出貢獻,她曾兩次獲諾貝爾獎,1903年的物理獎,1911年的化學獎。

1927年第五屆索爾維會議1927年第五屆索爾維會議

後排左起:A.皮卡爾德(A.Piccard)E.亨利厄特(E.Henriot)P.埃倫費斯特(P.Ehrenfest)

Ed.赫爾岑(Ed.Herzen) Th.頓德爾(德康德)(Th. de Donder)

E.薛丁格(E.Schrodinger) E.費爾夏費爾德(E.Verschaffelt) W.泡利(W.Pauli)

W.海森堡(W.Heisenberg) R.H.否勒(R.H.Fowler) L.布里淵(L.Brillouin )

後期上色的索爾維會議照片後期上色的索爾維會議照片

中排左起:P.德拜(P.Debye) M.克努森(M.Knudsen) W.L.布拉格(

W.L.Bragg) H.A.克萊默(H.A.Kramers) P.A.M狄拉克(P.A.M.Dirac) A.H.康普頓(A.H.Compton ) L.德布羅意(L. de Broglie) M.波恩(M.Born) N.玻爾(N.Bchr )

前排左起:I.朗繆爾(I.Langmuir) M.普朗克(M.Planck M.居里夫人(Mme Curie )

H.A.洛倫茲(H.A.Lorentz ) A.愛因斯坦(A.Einstein) P.朗之萬(P.Langevin)

Ch.E.古伊(Ch.E.Guye) C.T.R.威爾遜(C.T.R.Wilson)

O.W.里查遜(O.W.Richardson)

會議陣營

哥本哈根學派

該屆索爾維會議上有三大陣營。以玻爾為中心的便是哥本哈根學派,年輕、激情是他們的標籤,因而被稱為反叛的一群。其中有尼爾斯·玻爾、馬克斯·玻恩、海森伯、沃爾夫岡·泡利等。

尼爾斯·玻爾(Niels Bohr,1885-1962,中排右一),在量子力學的發展上提出了具有突破性的“對應理論”,成為量子力學的奠基人之一,哥本哈根學派的掌門人。

索爾維會議上的討論索爾維會議上的討論

馬克斯·玻恩(MaxBorn,1882-1970,中排右二)是德國理論物

理學家,量子力學的奠基人之一。從1923年開始,他致力於發展量子理論。由於他從具體的碰撞問題的分析出發,提出了波函式的統計詮釋波函式的二次方代表粒子出現的機率,於1954年獲得了諾貝爾物理學獎。

同為德國人的海森伯(Werner Karl Heisenberg,1901-1976,後排右三)是量子力學第一種有效形式(矩陣力學)的創建者,他更是為後人留下了一個神秘詭譎的“海森伯之謎”(後稱為“不確定關係”)。1929年,他同W.E.泡利一道曾為量子場論的建立打下基礎 ,首先提出基本粒子中同位旋的概念。1932年獲諾貝爾物理學獎。“二戰”期間,納粹德國召集眾多科學家研製核子彈,海森伯是其中核心人物,但最後德國並沒有造出核子彈,有一說法正是海森堡沒有盡全力,但海森伯本人一直拒絕披露其中的真相。

美籍奧地利科學家沃爾夫岡·泡利(Wolfgang Pauli,1900-1958,後排右四)是迎著20世紀的曙光來到世界的,父親、教父堅深的物理學背景使其從小在物理學的潤“物”細無聲中成長。泡利是上世紀主要的理論物理學家之一。不相容原理、核子自旋的假設、中微子的假設,以及粒子自旋和統計之間關係的闡述,都是他對物理學的發展作出的卓越的貢獻。

哥本哈根反對派

儘管哥本哈根學派所提出的量子力學有無窮的魅力,但愛因斯坦、薛丁格、德布羅意等人還是對此提出了質疑,這些質疑同樣促進了量子力學的發展。

阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein,1879-1955,前排正中)的名字與相對論是截然不可分的,不過這位20世紀最有智慧的頭腦還提出過光量子,他和馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾一樣為量子力學最初的發展做出了巨大貢獻。在這張照片中,他居於最突出的位置,可見他當時的地位。

埃爾溫·薛丁格(Erwin Schrodinger,1887-1961,後排右六)是奧地利理論物理學家。20世紀20年代,因為量子力學的發展,薛丁格的名字與愛因斯坦、玻爾、玻恩、海森堡等捆在了一起,而那隻半死半活的“薛丁格的貓”更是科學史上著名的怪異形象之一。1933年,薛丁格因建立描述電子和其他亞原子粒子的運動的波動方程,獲得諾貝爾物理獎。在愛因斯坦和玻爾的論戰中,他是支持愛因斯坦最有力的科學家。

路易斯·德布羅意(Louls-Victorde Broglie,1892-1987,中排右三)是法國著名理論物理學家,物質波理論的創立者。1924年11月,德布羅意在博士論文中闡述了著名的物質波理論,並指出電子的波動性。這一理論為建立波動力學奠定了堅實基礎。由於這一划時代的研究成果,使他獲得1929年的諾貝爾物理學獎,同時也使他成為第一個以學位論文獲得諾貝爾獎金的學者。

實驗派

照片中,除以愛因斯坦和玻爾為軸心人物的兩大陣營外,還有另一派,那是只關心實驗結果的實驗派,包括布喇格和康普敦。

康普敦(A.H.Compton,1892—1962,中排右四),他於1922—1923年間研究了X射線經金屬或石墨等物質散射後的光譜。在索爾維的峰會上,他傾心於他的實驗成果,報告了康普頓實驗以及其和經典電磁理論的不一致,而勞倫斯·布拉格則做了關於X射線的實驗報告。出現在照片中的威廉·亨利·布拉格(W.H.Bragg,1862-1942,中排左三)便是其父親,現代固體物理學的奠基人之一。由於在使用X射線衍射研究晶體原子和分子結構方面所作出的開創性貢獻,他與兒子分享了1915年諾貝爾物理學獎。

會議過程

量子力學論戰

量子力學產生以來,正確性以被大量實驗驗證.

然而,量子力學存在一個重大問題沒有解決:量子力學是否是完備的,波函式是否精確描寫了單個體系的狀態.

前奏

哥本哈根學派認為:

1.波函式精確地描述了單個體系的狀態。

2.波函式提供統計數據,測不準關係的存在是由於粒子與測量儀器之間的不可控制性。

3.在空間,時間中發生的微觀過程和經典因果律不相容。

愛因斯坦對此並不認同,一個沒有嚴格因果律的物理世界是不可想像的。

他認為:量子力學可能出了問題。

一場世紀大辯論即將展開。

第一次論戰

第五屆索爾維會議召開,主題是光子和電子。

派系

會議分為三派:

實驗派:布拉格 康普頓

哥本哈根學派:波爾波恩 海森伯

愛因斯坦派:愛因斯坦 德布羅意 薛丁格

論戰展開

德布羅意說:粒子是波場中的一個奇異點,波引導著粒子運動。

泡利狠狠批評這個理論,舉出一系列實驗結果反駁德布羅意,德布羅意被迫放棄自己的觀點。

海森伯和波恩說:我們主張量子力學是完備的,它的基本物理假說和數學假設不能進一步修改。他們攻擊薛丁格的電子云。

薛丁格承認自己的計算不完美,但談論電子軌道是胡扯。

愛因斯坦發言

愛因斯坦終於說話了,他提出一個模型:

一個電子通過一個小孔得到衍射圖像。

愛因斯坦指出兩種觀點:

1.這裡沒有一個電子,只有一團電子云

2.的確只有一個電子,波函式是“幾率分布”

愛因斯坦反對觀點2,因為:

這種隨機性表明同一過程產生不同結果。

即感應屏的許多區域同時對電子觀測作出反應。

而這似乎暗示一種超距作用,從而違背相對論。

海森伯的回憶

"討論很快就變成一場愛因斯坦和波爾之間的決鬥。"

"我們一般在旅館用早餐就見面,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歌本哈根解釋的內部矛盾。"

"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,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,但在心裡他是不服氣的。"

愛因斯坦的失利

愛因斯坦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機率解釋。

"上帝不擲骰子!"

但是第一次論戰他輸了。輸給玻爾的哥本哈根學派。

第二次論戰

三年後的秋天,第六屆索爾維會議在布魯塞爾召開。

愛因斯坦的算盤

愛因斯坦憑著和玻爾交手的經驗知道:

在細節問題上是爭不出個什麼所以然

他必須得瞄準最關鍵的精髓所在:不確定性原理!

愛因斯坦提出光箱實驗

箱子裡有若干光子。

打開時間Δt,只放出一個光子,Δt確定

於是箱子輕了Δm,可以用理想的秤測出

將Δm代入E=mc^2,ΔE也確定

ΔE和Δt都確定,測不準原理

ΔEΔt > h/2π不成立

這個實驗的精髓所在是:

在精確測量Δt時,可以精確測量Δm

而Δm可以由質能方程轉化為精確的ΔE

ΔE,Δt都是精確的,測不準關係失效了

玻爾對此毫無準備,他臉如死灰,呆若木雞

第二天,玻爾的勝利到來了

玻爾指出:

一個光子跑了,箱子輕了Δm

用彈簧秤稱,設定零點,設位移Δq

根據廣義相對論的紅移效應,箱子在引力場移動Δq,Δt也相應改變ΔT

可以計算:ΔT>h/Δmc^2

代入E=mc^2得ΔEΔT > h/2π

Δq

這次輪到愛因斯坦說不出話了

愛因斯坦的廣義相對論推翻了他自己。

哥本哈根學派大獲全勝。

玻爾又贏了。

愛因斯坦並不甘心

愛因斯坦不得不承認哥本哈根的解釋是沒有矛盾的,量子力學依靠機率論。但他認為這種統計描述並不是完整的"圖像"。

用愛因斯坦自己的話說,量子力學理論是不完備的,波函式並不能精確描寫單個體系的狀態。它所涉及的是許多體系,只是一個"系宗"。

哥本哈根學派的統計描述只是一個中間階段,應當尋求更完備的理論。

與此類似,玻姆的理論認為:

量子力學之所以是一個統計理論(哥本哈根派的解釋),是因為存在還未發現的隱變數。個別體系的規律,正是由它們決定。

如果能找出隱變數就可以準確地決定微觀現象每一次測量的結果,而不只是決定各種可能出現的結果的幾率。

也就是說,如果發現隱變數,那么因果律還是存在的,"上帝不擲骰子"。

歷史影響

愛因斯坦沒有出席第七屆索爾維會議,由於納粹德國的迫害而背井離鄉。

而這次會議的主題已改成原子物理。

量子力學的索爾維會議已經結束了。

然而事情並沒有就此完結。

1935年,薛丁格發表論文《量子力學的現狀》,提出了惡夢般的貓實驗。

對此,哥本哈根學派只能吞下苦水,承認那隻貓是處於"死活混合"的幽靈態。

他們對次的解釋甚至涉及了"意識"。

索爾維會議如一個歷史舞台,見證著量子力學的發展與存在。

愛因斯坦似乎成了"反派”,扮演著與當年那些妄圖推翻相對論的人相似的角色。

而玻爾經受住這些考驗,哥本哈根學派的思想廣泛流傳。

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