索尔维会议

物理、化学领域讨论的会议

索尔维会议是20世纪初一位 比利时 的实业家 欧内斯特·索尔维 创立的物理、 化学 领域讨论的会议。

会议背景

二十世纪初,实业家欧内斯特·索尔维创立了索尔维会议。

1911年,第一届索尔维会议在 布鲁塞尔 召开,以后每3年举行一届。

1927年,第五届 索尔维 会议在 比利时布鲁塞尔 召开了,因为发轫于这次会议的 阿尔伯特·爱因斯坦 与 尼尔斯·玻尔 两人的大辩论,这次索尔维峰会被冠之以“最著名”的称号。

一张汇聚了物理学界智慧之脑的“明星照”则成了这次会议的见证,数十个涵盖了众多分支的物理学家都留下了他们的身影, 爱因斯坦 、 玻尔 更是照片的灵魂人物,被称为是物理学的“全明星”合影!

虽然已经过去将近一百年,但是至今没有第二张照片能出其右。

参会人员

爱因斯坦

爱因斯坦,美籍 德国 犹太裔,理论物理学家, 相对论 的创立者,现代物理学奠基人。

1921年获 诺贝尔物理学奖 ,1999年被 美国 《 时代周刊 》评选为“世纪伟人”。

阿尔伯特·爱因斯坦 曾经是 量子力学 的催生者之一,但是他不满意量子力学的后续发展,爱因斯坦始终认为“量子力学(以波尔为首的 哥本哈根 诠释:“基本上,量子系统的描述是机率的。一个事件的机率是 波函数 的 绝对值 平方。”)不完备”,但苦于没有好的解说样板,也就有了著名的“上帝不掷 子”的否定式呐喊! 爱因斯坦 到过世前都没有接受量子力学是一个完备的理论。爱因斯坦还有另一个名言:“月亮是否只在你看着他的时候才存在?”

1927年10月参加第五届 布鲁塞尔 索尔维 物理讨论会,开始同 哥本哈根 学派就 量子力学 的解释问题进行激烈论战。发表《 牛顿 力学及其对理论物理学发展的影响》。

M· 普朗克

第五届索尔维会议讨论的核心是有关量子力学的,而追溯量子力学就不得不提及一个人,那便是 马克斯·普朗克 (Max Planck1858~1947,前排左二), 德国 物理学家,“量子力学之父”。

参加这届索尔维会议时他已经69岁,德高望重,是当然的前辈。

19世纪末,扬弃古典物理学的观念已提上日程。因而消除牛顿力学和 詹姆斯·麦克斯韦 电磁场 这两大理论之间的不一致,就成为二十世纪物理学发展的前提。 普朗克 此时提出了一个大胆的假说,在科学界一鸣惊人。这一假说认为 辐射能 (即光波能)不是一种连续的流,而是由小微粒组成的。他把这种小微粒叫做量子。 马克斯·普朗克 的假说与经典的光学学说和 电磁学 说相对立,使物理学发生了一场革命,使人们对物质性和放射性有了更为深刻的了解。

H·A· 洛伦兹

荷兰 物理学家亨德瑞克·安图恩·洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz ,1853—1928,前排左四),在 莱顿大学 任教期间创立了 电子 论,并与塞曼因研究 磁场 对辐射现象的影响,发现 塞曼效应 ,分享了1902年度 诺贝尔物理学奖 。

1904年他提出著名的洛仑兹变换公式,并指出 光速 是物体相对于 以太 运动速度的极限。

洛伦兹 不仅是物理学界的明星人物,由于其通晓 人文地理 ,且掌握多门外语,是国际物理学界的各种集会很受欢迎的主持人,此次物理学家的峰会便是由其主持。

P·朗之万

这些物理界的明星人物中,有一人还对 中国物理学会 的成立起过积极的作用,那便是 保罗·朗之万 (Paul Langevin,1872—1946,前排右四)。

朗之万生于 巴黎 ,1905年他看到 阿尔伯特·爱因斯坦 的论文后,对 相对论 表示了浓烈的兴趣,并和爱因斯坦结下了深挚的友谊。他形象地阐述相对论并作了大量宣传工作,因而有“朗之万炮弹”的美称。

1931年,正值“ 九一八事变 ”发生,朗之万受 国际联盟 委托来 中国 考察教育,对中国人民的 抗日活动 表示声援。他甚至呼吁中国物理学界联系起来, 催化 了当时酝酿已久的 中国物理学会 成立。朗之万本人也成为中国物理学会第一位名誉会员。

P. 保罗·埃伦费斯特

埃伦费斯特 (P.Ehrenfest,1880-1933,后排左三), 荷兰 物理学家。如果说, 尼尔斯·玻尔 的 对应原理 是在 经典物理学 和 量子力学 之间架起的一座桥梁,那么埃伦费斯特的浸渐原理则是两者之间的又一座桥梁。

1906年,埃伦费斯特开始研究 普朗克 辐射定律的 统计力学 基础。 阿尔伯特·爱因斯坦 对他的思想评价颇高,1914年称埃伦费斯特的原理为“浸渐假说”。 奥格·玻尔 也充分肯定 埃伦费斯特 的贡献,承认在自己后来的工作中浸渐原理起了很重要的作用。

P.A.M. 保罗·狄拉克

保罗·阿德里· 莫里斯· 狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac,1902-1984,中排左五)是一位 英国 物理学家。他长期从事科学研究,创立 量子电动力学 ;1928年建立“狄拉克方程”,即 相对论 形式的 薛定谔方程 ;这个貌似简单的方程式从理论上 预言 了 正电子 的存在,具有划时代的意义;它对 原子结构 及 分子结构 都给予了新的诠释。

1935年他曾来中国,在 清华大学 讲学,并曾被选为 中国物理学会 名誉会员。

P.德拜

彼得·德拜 (Peter Debye,1884-1966,中排左一),是出生于 荷兰 的 美国 物理化学家,发明了著名的德拜相机,使得X光材料分析成为一门课程。

1936年,因通过偶极矩研究及X射线 衍射 研究对分子结构学科所作贡献而获 诺贝尔化学奖 。

M. 玛丽·居里

物理学,在通常的认识中是被男性占据的领地。梦之队差一点又将佐证这一常识,但偏偏就有那么个“出格”的人打破了这一“神话”,那便是 居里夫人 。

1867年出生的玛丽·斯可罗多夫斯· 居里 (Marie Curie,1867-1934,前排左三)尽管受教育较晚,却一点都没阻拦她在物理学、 化学 等领域的研究和所作的贡献。

居里夫人凭着坚韧的精神前进在严肃的学术领地中,她选择“放射性”作为其一生要攻克的领地,研究了许多物质,发现 及其化合物的特性与 相同。研究 沥青铀矿 时,她发现了镭和钋。

1910年她成功地分离了纯镭。

因 玛丽·居里 的突出贡献,她曾两次获 诺贝尔奖 ,1903年的物理奖,1911年的化学奖。

与会人员:

后排左起:A.皮卡尔德(A.Piccard)E.亨利厄特(E.Henriot)P.埃伦费斯特(P.Ehrenfest)

Ed. 赫尔岑 (Ed.Herzen) Th.顿德尔(德康德)(Th. de Donder)

E.薛定谔(E.Schrodinger) E.费尔夏 费尔德 (E.Verschaffelt) W. 沃尔夫冈·泡利 (W. Pauli )

W. 海森堡 (W.Heisenberg) R.H.否勒(R.H. Fowler ) L. 路易·布里渊 (L.Brillouin )

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.克莱默(H.A.Kramers) P.A.M 狄拉克(P.A.M.Dirac) A.H. 康普顿 (A.H.Compton ) L. 路易·德布罗意 (L. de Broglie) M.波恩(M.Born) N. 奥格·玻尔 (N.Bohr )

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

H.A. 洛伦兹 (H.A.Lorentz ) A. 阿尔伯特·爱因斯坦 (A. Einstein ) P.朗之万(P.Langevin)

Ch.E.古伊(Ch.E.Guye) C.T.R. 威尔逊(C.T.R. Wilson )

O.W. 里查逊(O.W.Richardson)

会议阵营

哥本哈根 学派

该届索尔维会议上有三大阵营。以 尼尔斯·玻尔 为中心的便是哥本哈根学派,年轻、激情是他们的标签,因而被称为反叛的一群。其中有 尼尔斯·玻尔 、 马克斯·玻恩 、海森伯、 沃尔夫冈·泡利 等。

尼尔斯·玻尔(Niels Bohr,1885-1962,中排右一),在 量子力学 的发展上提出了具有突破性的“对应理论”,成为量子力学的奠基人之一,哥本哈根学派的掌门人。

马克斯·玻恩( MaxBorn ,1882-1970,中排右二)是 德国 理论物 理学家,量子力学的奠基人之一。从1923年开始,他致力于发展量子理论。由于他从具体的 碰撞问题 的分析出发,提出了 波函数 的统计诠释波函数的二次方代表粒子出现的概率,于1954年获得了 诺贝尔物理学奖 。

同为德国人的 海森伯格 (Werner Karl Heisenberg,1901-1976,后排右三)是 量子力学 第一种有效形式( 矩阵力学 )的创建者,他更是为后人留下了一个神秘诡谲的“海森伯之谜”(后称为“ 不确定性原理 ”)。1929年,他同W.E. 沃尔夫冈·泡利 一道曾为 量子场论 的建立打下基础,首先提出 基本粒子 中 同位旋 的概念。1932年获诺贝尔物理学奖。“ 第二次世界大战 ”期间,纳粹 德国 召集众多科学家研制 原子弹 ,海森伯是其中核心人物,但最后德国并没有造出原子弹,有一说法正是 海森伯格 没有尽全力,但海森伯本人一直拒绝披露其中的真相。

美籍 奥地利 科学家 沃尔夫冈·泡利 ( Wolfgang Pauli ,1900-1958,后排右四)是迎着20世纪的曙光来到世界的,父亲、教父坚深的物理学背景使其从小在物理学的润“物”细无声中成长。 沃尔夫冈·泡利 是上世纪主要的理论物理学家之一。不相容原理、核子 自旋 的假设、中微子的假设,以及粒子自旋和统计之间关系的阐述,都是他对物理学的发展作出的卓越的贡献。

哥本哈根 反对派

尽管哥本哈根学派所提出的 量子力学 有无穷的魅力,但 阿尔伯特·爱因斯坦 、 埃尔温·薛定谔 、 路易·德布罗意 等人还是对此提出了质疑,这些质疑同样促进了量子力学的发展。

阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein,1879-1955,前排正中)的名字与 相对论 是截然不可分的,不过这位20世纪最有智慧的头脑还提出过 光量子 ,他和 马克斯·普朗克 、 尼尔斯·玻尔 一样为量子力学最初的发展做出了巨大贡献。在这张照片中,他居于最突出的位置,可见他当时的地位。

埃尔温·薛定谔 (Erwin Schrodinger, 1887- 1961,后排右六)是 奥地利 理论物理学家。20世纪20年代,因为 量子力学 的发展, 埃尔温·薛定谔 的名字与 阿尔伯特·爱因斯坦 、 奥格·玻尔 、 马克斯·玻恩 、 海森伯格 等捆在了一起,而那只半死半活的“ 薛定谔的猫 ”更是科学史上著名的怪异形象之一。1933年,薛定谔因建立描述 电子 和其他 亚原子粒子 的运动的 波动方程 ,获得 诺贝尔物理学奖 。在爱因斯坦和玻尔的论战中,他是支持爱因斯坦最有力的科学家。

路易·德布罗意 (Louls-Victorde Broglie,1892-1987,中排右三)是 法国 著名理论物理学家,物质波理论的创立者。1924年11月, 德布罗意 在 博士论文 中阐述了著名的物质波理论,并指出电子的 波动性 。这一理论为建立 波动力学 奠定了坚实基础。由于这一划时代的研究成果,使他获得1929年的 诺贝尔物理学奖 ,同时也使他成为第一个以 学位论文 获得 诺贝尔奖 金的学者。

实验派

照片中,除以 阿尔伯特·爱因斯坦 和 奥格·玻尔 为轴心人物的两大阵营外,还有另一派,那是只关心实验结果的实验派,包括布喇格和康普敦。

康普敦(A.H. Compton ,1892—1962,中排右四),他于1922—1923年间研究了X射线经金属或石墨等物质散射后的光谱。在 索尔维 的峰会上,他倾心于他的实验成果,报告了 康普顿 实验以及其和经典电磁理论的不一致,而 劳伦斯· 布拉格 则做了关于X射线的 实验报告 。出现在照片中的 威廉·亨利·布拉格 (W.H. Bragg ,1862-1942,中排左三)便是其父亲,现代 固体物理学 的奠基人之一。由于在使用X射线 衍射 研究 晶体 原子 和 分子结构 方面所作出的开创性贡献,他与儿子分享了1915年 诺贝尔物理学奖 。

会议过程

量子力学 论战

量子力学产生以来,正确性已被大量实验验证。

然而,量子力学存在一个重大问题没有解决:量子力学是否是完备的, 波函数 是否精确描写了单个体系的状态。

前奏

哥本哈根 学派认为:

1.波函数精确地描述了单个体系的状态。

2.波函数提供统计数据,测不准关系的存在是由于粒子与测量仪器之间的不可控制性。

3.在空间,时间中发生的 微观 过程和经典因果律不相容。

阿尔伯特·爱因斯坦 对此并不认同,一个没有严格因果律的物理世界是不可想象的。

他认为: 量子力学 可能出了问题。

一场世纪大辩论即将展开。

第一次论战

第五届索尔维会议召开,主题是光子和电子。

派系

会议分为三派:

实验派:布拉格、康普顿

哥本哈根学派:波尔波恩、 海森伯格

爱因斯坦派:爱因斯坦、 路易·德布罗意 、 埃尔温·薛定谔

论战展开

德布罗意说:粒子是波场中的一个奇异点,波引导着粒子运动。

沃尔夫冈·泡利 狠狠批评这个理论,举出一系列实验结果反驳德布罗意,德布罗意被迫放弃自己的观点。

海森伯和波恩说:我们主张量子力学是完备的,它的基本物理假说和数学假设不能进一步修改。他们攻击薛定谔的电子云。

薛定谔承认自己的计算不完美,但谈论电子轨道是胡扯。

阿尔伯特·爱因斯坦 发言

爱因斯坦终于说话了,他提出一个模型:

一个电子通过一个小孔得到 衍射 图像。

爱因斯坦指出两种观点:

1.这里没有一个电子,只有一团电子云。

2.的确只有一个电子, 波函数 是“几率分布”。

爱因斯坦反对观点2,因为:

这种随机性表明同一过程产生不同结果。

即感应屏的许多区域同时对电子观测作出反应。

而这似乎暗示一种超距作用,从而违背 相对论 。

海森伯格 的回忆

"讨论很快就变成一场爱因斯坦和玻尔之间的决斗。"

"我们一般在旅馆用早餐就见面,于是 阿尔伯特·爱因斯坦 就描绘一个思维实验,他认为从中可以清楚地看出哥本哈根解释的内部矛盾。"

"一般来说 奥格·玻尔 (尼尔斯·玻尔)在傍晚的时候就对这些理想实验完全心中有数,他会在晚餐时把它们分析给爱因斯坦听。爱因斯坦对这些分析提不出反驳,但在心里他是不服气的。"

爱因斯坦的失利

爱因斯坦如此虔诚地信仰因果律,以致决不能相信哥本哈根那种愤世嫉俗的概率解释。

"上帝不掷骰子!"

但是第一次论战他输了。输给玻尔的哥本哈根学派。

第二次论战

三年后的秋天,第六届索尔维会议在 布鲁塞尔 召开。

阿尔伯特·爱因斯坦 的算盘

爱因斯坦凭着和 玻尔 交手的经验知道:

在细节问题上是争不出个什么所以然

他必须得瞄准最关键的精髓所在: 不确定性原理 !

爱因斯坦提出光箱实验

箱子里有若干 光子 。

打开时间Δt,只放出一个光子,Δt确定

于是箱子轻了Δm,可以用理想的秤测出

将Δm代入E=mc^2,ΔE也确定

ΔE和Δt都确定,测不准原理

ΔEΔt > h/2π不成立

这个实验的精髓所在是:

在精确测量Δt时,可以精确测量Δm

而Δm可以由质能 方程 转化为精确的ΔE

ΔE,Δt都是精确的,测不准关系失效了

玻尔对此毫无准备,他脸如死灰,呆若木鸡

第二天, 奥格·玻尔 的胜利到来了

玻尔指出:

一个 光子 跑了,箱子轻了Δm

用 弹簧秤 称,设置 零点 ,设位移Δq

根据 广义相对论 的 红移 效应,箱子在 引力场 移动Δq,Δt也相应改变ΔT

可以计算:ΔT>h/Δmc^2

代入E=mc^2得ΔEΔT > h/2π

Δq

这次轮到 阿尔伯特·爱因斯坦 说不出话了

爱因斯坦的广义相对论推翻了他自己。

哥本哈根 学派大获全胜。

玻尔又赢了。

爱因斯坦并不甘心

爱因斯坦不得不承认哥本哈根的解释是没有矛盾的, 量子力学 依靠 概率论 。但他认为这种统计描述并不是完整的"图像"。

用爱因斯坦自己的话说,量子力学理论是不完备的, 波函数 并不能精确描写单个体系的状态。它所涉及的是许多体系,只是一个"系宗"。

哥本哈根学派的统计描述只是一个中间阶段,应当寻求更完备的理论。

与此类似, 戴维·玻姆 的理论认为:

量子力学之所以是一个统计理论( 哥本哈根 派的解释),是因为存在还未发现的隐变量。个别体系的规律,正是由它们决定。

如果能找出隐变量就可以准确地决定 微观 现象每一次测量的结果,而不只是决定各种可能出现的结果的几率。

也就是说,如果发现隐变量,那么因果律还是存在的," 雅威 不掷骰子"。

历史影响

阿尔伯特·爱因斯坦 没有出席第七届索尔维会议,由于 纳粹德国 的迫害而背井离乡。

而这次会议的主题已改成 原子 物理。

量子力学 的索尔维会议已经结束了。

然而事情并没有就此完结。

1935年, 埃尔温·薛定谔 发表论文《量子力学的现状》,提出了恶梦般的猫实验。

对此, 哥本哈根 学派只能吞下苦水,承认那只猫是处于"死活混合"的幽灵态。

他们对此的解释甚至涉及了"意识"。

索尔维会议如一个历史舞台,见证着量子力学的发展与存在。

爱因斯坦 似乎成了"反派”,扮演着与当年那些妄图推翻 相对论 的人相似的角色。

而 尼尔斯·玻尔 经受住这些考验,哥本哈根学派的思想广泛流传。

参考资料

  1. 《量子传》:全景展现量子群星闪耀的时代-新华网 www.xinhuanet.com 2022-06-01
  2. 爱因斯坦罕见手稿被发现 生前理论谜题有望解开 m.toutiao.com 2022-06-01
  3. 新闻背景:数说诺贝尔物理学奖 m.toutiao.com 2022-06-01
  4. 现代物理学发展放缓了吗 m.toutiao.com 2022-06-01