玻恩当时认为,薛定谔的“波动力学是量子定律更深刻的表达形式”,其方式 是每个物理学家都比较熟悉的,“但是在他看来,薛定谔的波动解释是站不住脚的” 。 玻恩回忆道:“我在弗兰克(J.FRANCK,1882-1964)关于原子和分子碰撞的 卓越的实验中每天都目睹粒子概念的丰硕成果,因而确信,粒立不能简单地取消。 必须发现使粒子和波一致起来的途径。我在几率概念中发现了衔接的环节”。玻恩 又说: “爱因斯坦(A.Einstein,1879-1955)的观念又一次引导了我。他曾经 把光波的振幅解释为光子出现的几率密度,从而使粒子(光量子或光子)和波的二 象性成为可以理解的。 这个观念马上可以推广到Ψ函数上:|Ψ|2必须是电子(或 其它粒子)的几率密度”。在紧接着发表的长篇论文和以后的著述中,玻恩详细讨 论并进一步发展了他对波函数的统计解释。
“玻恩解释的描述方式,同光的波动理论把电磁波振幅的平方看做辐射强度相 似,……Ψ(x)Ψ(x)dx与无穷小区间x~x+dx内发现电子的几率成正比”。德布 罗意(L.DeBronglie,1892-1960)所说的物质波实际是几率波。以氢原子为例, |φ(q) |2表示电子在核外某点q处出现的几率密度,很明显,电子在核外“各处 出现的几率密度总和必定为1(100%) ,∫|Ψ(q)|2dq=1”。几率是多次观测 的统计平均值,对单独一次实验而言,无法预言电子出现的准确位置,多次观测结 果则可以找到电子在各处出现的几率。由于几率是用统计的方法得出的,因此,几 率解释也常常被称为统计解释。通过粒子“统计分布的确定”和波函数的“三个性 质原则”,可以看出波函数的明确物理意义和巨大应用价值。
玻恩早就注意到,1921年关于原子束在不均匀磁场中偏转的实验“是古典力学 在原子范围里不适应和必须代之以新的量子力学的基本证明之一”。1927年海森堡 发现的“不确定原理”则进一步证明波函数统计解释的正确性。它反映了电子运动 的不确定性和遇然性,揭示了波粒二象性的本质和微观世界的特殊规律,物理含义 明确,与量子力学其它部分连贯一致,很快被绝大多数物理学家所接受,充满了几 乎所有涉及量子力学的教科书和各种文献而广泛传播。
1975年8月25日, 英国物理学家、 量子力学创始人之一狄拉克 (P.A.M. Dirac) 在澳大利亚新南威尔士大学做“量子力学的发展”演讲中指出:“当然, 对原子所做的实验结果确与几率有关。根据新力学,我们能够计算出这些几率,… …我们发现计算和观测结果互相符合。……根据公认的标准原理概念,……以薛定 谔方程中波函数为基础的几率解释,是人们能够做出的最好解释,人们为改进这种 解释做了许多努力,力求获得比仅仅是一些几率更多的信息,但所有这些努力都以 失败告终,根据现在的量子力学理论……几率解释是正确的”。
波函数的统计解释奠定了量子力学的理论基础,成为量子边学的核心解释和基 本要点。它使人们看清了量子力学各种不同数学表达形式的相同物理本质,可以认 为,量子力学是统计性的数学物理理论。这就大大地推动了量子力学的发展和在各 个领域中的应用。
少数权威反对致使授奖时间推延
波函数的统计解释对量子力学的发展有巨大的贡献,属于物理学上“最重要的 发现”。符合诺贝尔遗嘱中规定的授奖条件。特别是1929年德布罗意因发现电子的 波动性获得诺贝尔奖金后,广大物理学家的呼声和玻恩本人的感觉,都认为到应该 获奖的时候了。可是,玻恩不仅1932年未能与海森堡分享诺贝尔奖金,而且在以后 的量子力学方面的获奖者中,也长期没有玻恩的名字。
虽然诺贝尔金各委员会的讨论都是秘密进行的,对遴选过程和哪些人曾被提名 为候选人一事至今缄口不言,但是玻恩长期未能获奖的原因“显然”“是由于科学 界中关键人士的极力反对……,而不是由于各委员会的因循耽搁”。对此,玻恩曾 有过一段感触很深的评论,他说:“我对Ψ函数的统计解释……虽然占压倒多数的 物理学家都接受了这种哲学,但是始终有一些物理学家不接受这种哲学,在他们中 间有像普朗克、爱因斯坦、德布罗意和薛定谔这样伟大的人物,他们在量子理论的 第一个时期都是领袖人物,这可以说明为什么要在28年以后我才因我的工作而被授 予诺贝尔奖金(1954年)”。1948年,玻恩在英国牛津大学玛格达椤学院一次讲座 中,提到波函数的统计解释和量子力学的统计性遭到反对时说:“尽管它已为我们 这一代的物理学家所普遍接受,但是一直遭到两个人的坚决反对,这两个人恰恰对 量子物理的创立比任何其他人都贡献得多,这就是普朗克和爱因斯坦”。海森堡在 《20世纪物理学中概念的发展》一文中说:“也像在相对论的场合一样,这里也出 现了对新的观念方案的强烈反对意见,而且甚至包括了爱因斯坦、劳厄和薛定谔这 样一些最有权威的物理学家”。
爱因斯坦是“极力反对”波函数统计解释的“关键人士”,“他终生始终不满 意通常赋予量子力学解释的几率性质。他对这种解释作了最尖锐的批评”。起初, 这种反对只限于他同玻恩和其他少数几位朋友的私下接触中,例如,他在1926年12 月16日给玻恩的信中说:“最子力学当然是仪表堂堂的,但是,有一种内在的声音 告诉我,它还不是真正的实货,这个理论讲一套碰运气的拈阄术,而不是真正把我 们带到任何更接近于了解上帝秘密的境地。无论如何,我相信上帝是不投骰子的”。 到1927年,面对大多数人接受波函数和量子力学统计解释的局面,爱因斯坦感到有 必要让广大物理学家知道自己的观点, 于是在当年10月举行的第五次索尔维(E. Solvay,1839-1922)会议上,发表了题为“电子和光子”的演讲,提出公开反对 意见。但是,爱因斯坦的观点并没有得到多少人的支持,结果失败了。
此后,波函数的统计解释被越来越多的事实所验证,为越来越多的物理学家所 接受,在越来越多的领域取得成功。但是,这丝毫没有动摇爱因斯坦所持的反对态 度, 不同的只是把矛头所指从“不正确”转向“不完备”。1935年5月初,爱因斯 坦与两位年轻的同事玻道尔斯基(B.Podolsky) 和罗森(N.Rosen)在《物理学 评论》 第2辑第47卷上发表了“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?” 即著名的“E.P.R.悖论” ,指出“波函数所提供的关于物理实在的量子力学描 述是不完备的”。当时(5月4日)的《纽约时报》称这篇论文是“爱因斯坦攻击量 子理论” 。同年9月11日,爱因斯坦在给一个朋友的信中说,量子力学“像现在所 用的这种原则上是统计性的描述的[方法],只能是一种暂时的过渡状态”。1947年 和1948年,爱因斯坦在给玻恩的信中说:“我完全相信,终于会有人提出一种理论, 在这个理论中用定律联系起来的对象,并不是几率”,“最后要使理论基础摆脱统 计概念”。