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爱因斯坦的错误 (下)
- 作者：Steven Weinberg 译者：卢昌海 -
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反对量子力学
另一个被普遍视为爱因斯坦错误的， 是他在始于 1927 年的索尔维会议， 并延续至 1930 年代的与玻尔 (Niels Bohr)
有关量子力学的著名争论中站在了错误的一边。 简单地说， 玻尔主导发展了量子力学的 “哥本哈根诠释”
(Copenhagen interpretation)， 在其中人们只能计算各种可能实验结果的几率。
爱因斯坦拒绝了这种物理定律能够是几率性的观念， 并很出名地宣称上帝是不掷骰子的。
但历史作出了对爱因斯坦不利的裁决 - 量子力学从胜利走向了胜利， 把爱因斯坦抛在了一旁。
这个熟悉的故事完全是真实的， 但不无讽刺意味。 玻尔版的量子力学是有很大缺陷的， 但却并非出于爱因斯坦所认为的原因。
哥本哈根诠释对观测者进行观测时会发生什么作出了描述， 但观测者及观测本身却被视为是经典的。
这显然是错误的， 物理学家以及他们的仪器和宇宙中所有其它东西一样， 必须受到同样的量子力学规律管辖。
但这些规律是用有着完全决定论方式演化的波函数 (或者更确切地说态矢量) 来表示的。 那么，
哥本哈根诠释中的几率法则是从何而来的呢？
最近几年来， 人们在解决这一问题上取得了很可观的进展， 但我无法在这里叙述。 只提这样一点就够了，
那就是玻尔和爱因斯坦都不曾抓住量子力学的真正问题。 哥本哈根规则显然是管用的， 因此必须被接受。
但它没有解决这样一个问题， 即如何通过将波函数演化的决定论方程 - 薛定谔方程 - 运用到观测者以及他们的仪器上，
来解释那些规则。 困难之所在并非是量子力学的几率性 - 那是我们必须接受的事实。
真正的困难是量子力学同时也是决定论性的， 或者更确切地说， 是它融合了决定论性的动力学与几率性的诠释。
对统一的尝试
从 1930 年代直至他去世的 1955 年， 爱因斯坦对量子力学的抗拒使他孤立在了物理学的其它研究之外，
但此事还有另外一个因素。 也许爱因斯坦的最大错误是变成他自己成就的囚徒。
世界上最自然的事情， 就是一个往日获得过巨大成功的人试图延用曾经如此管用的方法来获得进一步的成功。
我们不妨想想 1956 年苏伊士危机 (Suez crisis) 期间一位貌似懂行的苏联军事专员对埃及总统纳赛尔 (Gamal Abdel Nasser)
所提的建议： “将你的部队撤到国家中部， 然后等待冬天。”
有哪位物理学家获得过比爱因斯坦更大的成功？ 在获得了用时空几何描述引力的巨大成功后，
他很自然地要尝试用几何原理将其它的力与引力一起纳入一个 “统一场论” 之中。 关于物理学中的其它东西，
他在 1950 年评价说3： “除非一开始就在基本概念上与广义相对论相一致，
所有试图对物理基础做更深入理解的努力在我看来都是注定会失败的。” 由于电磁力是宏观效应与引力相似的唯一一种其它的力，
统一引力与电磁力的希望就变成了爱因斯坦晚年工作的动力。
在爱因斯坦的这一工作中， 我将只提及他用过的很多方法中的两种。 其中一种是建立在 1921 年卡鲁查 (Theodore Kaluza)
提出的第五个维度的想法之上的。 假如你在五维而不是四维的时空中写下广义相对论的方程，
并且任意地假定五维度规张量不依赖于第五个坐标，
那么你会发现联系普通四维时空和第五个维度的那部分度规张量与麦克斯韦电磁理论中的矢势满足同样的方程，
只联系普通四维时空的那部分度规张量则满足四维广义相对论的场方程。
1926 年， 当克莱因 (Oskar Klein) 放宽了场不依赖于第五个坐标这一条件， 转而假定第五个维度弯曲成一个小圆圈，
而场相对于那个坐标具有周期性时， 增加一个额外维度的想法变得更有吸引力了。 克莱因发现，
在这一理论中联系第五个维度本身的度规张量表现得象一个带电粒子的波函数。 因此有一段时间在爱因斯坦看来不仅引力和电磁，
甚至连物质都有一定的可能性由一个统一的几何理论来描述。 可惜， 如果将粒子的电荷等同于电子电荷，
它的质量就会大出 1018 倍。
很遗憾爱因斯坦放弃了卡鲁查-克莱因的想法。 如果他将之从五维拓展到六维或更多的时空维数，
他也许会发现 1954
年由杨振宁和米尔斯 (Robert Mills) 所构造的场论及其推广， 他们中的某些后来变成了我们有关强、 弱、
电磁相互作用的现代理论的一部分4。 爱因斯坦显然没有考虑过强和弱核力，
我想那是因为它们看起来与引力及电磁力相差很远。 今天我们知道描述除引力以外的所有已知力的方程其实都很相似，
现象上的差异乃是来自强相互作用的色囚禁及弱相互作用的对称性自发破缺。 即便如此，
爱因斯坦恐怕仍然不会乐意见到今天的理论， 因为它们没有与引力相统一， 并且电子、
夸克等物质仍然必须人为地引入。
甚至在克莱因的工作之前， 爱因斯坦就开始采用一种以简单数量考虑为基础的不同方法。 如果你放弃 4×4
度规张量必须对称这一条件， 就会有 16 个而不是 10 个独立分量， 那多出的 6
个分量将会有能与电磁场相等同的正确性质。 与之等价地， 我们也可以假定度规张量是复数的， 但厄密。
这一想法的问题 - 如爱因斯坦痛苦地意识到的 - 是除了所有的场共用同一个字母外， 没什么东西能将那 6
个电磁场的分量与描述引力的 10 个普通度规张量的分量联系起来。
洛仑兹变换或任何其它坐标变换会将电场或磁场转变成电场和磁场的混合， 但没什么变换能将它们与引力场相混合。
与卡鲁查-克莱因的想法不同， 这种纯形式的方法在现代研究中未留下值得一提的痕迹。
在爱因斯坦研究广义相对论时曾如此有效地服务过他的信念， 即以数学作为物理灵感之源， 这一次却背叛了他。
尽管爱因斯坦与年轻物理学家们在 1930 和 1940 年代所取得的激动人心的进展间的疏离是一个错误，
但它显示了他的一种令人钦佩的个性。 爱因斯坦从未想要变成权威，
他从未试图劝诱其他物理学家放弃他们在核物理及粒子物理中的工作而追随他的想法。
他从未试图用他的合作者或追随者来填充高等研究院 (Institute for Advanced Studies) 的教授职位。 爱因斯坦不仅是一个伟人，
而且是个好人。 他的道德判断引导了他在其它事务上的行为： 在第一次世界大战期间他反对军事化； 在斯大林年代他拒绝支持苏联；
他成为了热心的犹太复国主义者； 当欧洲受到纳粹德国的威胁时他放弃了原先的和平主义，
而呼吁比利时重整军备； 他公开反对了麦卡锡主义。 在这些公众事务上， 爱因斯坦从未出错。
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本文所讨论的错误无意包罗全部， 它们中的大多数是因为在我看来显示了爱因斯坦在其中工作的智力环境的某些特征而被选入的。
在 2005 年 3 月的《Physics Today》第 34 页上， Alex Harvey 与 Engelbert Schucking 叙述了爱因斯坦有关地球表面时钟走速的错误预言；
在其著作 Albert Einstein's Special Theory of Relativity, Addison-Wesley, Reading, PA (1981) 的第 328
页上， Authur I. Miller 讨论了爱因斯坦在计算电子横质量时的一个错误。
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G. Gamow, My World Line — An Informal Autobiography, Viking Press, New York (1970) 第 44 页。
我要感谢 Lawrence Krauss 提供这一文献。
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A. Einstein, Sci. Am., April 1950, p. 13.
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奇怪得很， Klein 在 1939 年华沙 (Warsaw) 的一次会议上， 以他对广义相对论的五维推广为基础，
提出了很类似于 Yang-Mills 理论的东西。 我曾试图追随 Klein 的论证， 却没有成功， 我认为他的论证是说不通的，
他用了至少两个额外维度来得到 Yang-Mills 理论。 看来科学家们常常被美丽的理论所吸引， 就象昆虫被花朵所吸引 -
不是通过逻辑推理， 而是通过某种象嗅觉一样的东西。
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E. Hubble, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 15, 168 (1929).
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A. G. Riesse et al., Astrophys. J. 607, 665 (2004).
二零一零年一月七日译于纽约
http://www.changhai.org/
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