从爱因斯坦的光盒谈起
2013-03-26 16:04阅读：
一、爱因斯坦光盒
1930年10月20日，第六次索尔维(Solvay)会议在布鲁塞尔召开。在这次原本主题是“物质的磁性”的国际物理学会议上，爱因斯坦经过三年的深思熟虑，提出了著名的光盒思想实验，对海德堡测不准原理发动了突然袭击。
爱因斯坦沉着地在黑板上画了一个“光子箱”思想实验的草图，在一小盒子——光子箱中装有一定数量的放射性物质，下面放一只钟作为计时控制器，它能在某一时刻将盒子右上方的小洞打开，放出一个粒子（光子或电子），这样光子或电子跑出来的时间就能从计时钟上准确获知。少了一个粒子，小盒的重量差则可由小盒左方的计量尺和下面的砝码准确地反映出来，根据爱因斯坦质能公式E＝mc2，重量（质量）的减少可以折合成能量的减少。因此，放出一个粒子准确的时间和能量都能准确测得。这与海森堡的不确定性原理完全相左，准确性和因果性再次获得了完整的表达。爱因斯坦最后还着重表示，这一次实验根本不涉及观测仪器的问题，没有什么外来光线的碰撞可以改变粒子的运动。
一轮新的论战就这样开始了。
量子理论歌本哈根学派的旗手玻尔在爱因斯坦开始演讲时还不以为然。但很快，他意识到他和哥本哈根解释遇上了大麻烦。据比利时物理学家里昂•罗森菲尔德回忆，当时玻尔惊呆了，他面色苍白，呆若木鸡，感到十分震惊，不能马上找出这个问题的答案。他着实慌了手脚，在会场上一边从一个人走向另一个人，一边喃喃地说，如果爱因斯坦正确，那么物理学就完了。当这两个对手离开会场时，爱因斯坦那天显得格外庄严高大，而玻尔则紧靠在他的旁边快步走着，非常激动，并徒劳地试图说明爱因斯坦的实验装置是不可能的。罗森菲尔德说，那天晚上，玻尔看上去就像“一只刚被暴打了的狗”。
当天夜里，玻尔和他的同事们一夜没合眼。玻尔坚信爱因斯坦是错的，但关键是要找出爱因斯坦的破绽所在。他们检查了爱因斯坦实验的每一个细节，奋战了一个通宵，终于找出了反驳爱因斯坦的办法。
第二天上午，会议继续进行，玻尔喜气洋洋地走
向黑板，也画了一幅“光子箱”思想实验的草图。与爱因斯坦不同的是，玻尔具体给出了称量小盒子重量的方法。他把小盒用弹簧吊起来，在小盒的一侧，他画了一根指针，指针可以沿固定在支架上的标尺上下移动。这样，就可以方便地读出小盒在粒子跑出前后的重量了。然后，玻尔请大家回忆爱因斯坦创立的广义相对论。从广义相对论的等效原理可以推出，时钟在引力场中发生位移时，它的快慢要发生变化。因此，当粒子跑出盒子而导致盒子重量发生变化时，盒子将在重力场中移动一段距离，这样所读出的时间也会有所改变。这种时间的改变，又会导出测不准关系。可见，如果用这套装置来精确测定粒子的能量，就不能准确控制粒子跑出的时间。玻尔随之给出了运用广义相对论原理的数学证明。
这下，爱因斯坦不得不又一次承认，玻尔的论证和计算都是无可指责的。他自己居然在设计这个理想实验时，只考虑了狭义相对论而没有考虑广义相对论，出了一个大疏忽，实在太遗憾了。玻尔以其人之道反治其人之身，巧妙地利用爱因斯坦设计的思想实验和他创立的相对论，驳倒了爱因斯坦本人，取得了论战的胜利。
虽然爱因斯坦在具体物理问题上失败了，但他对物理世界的基本观点丝毫未变，仍坚持“上帝不会掷骰子God does not
play dice”。而玻尔对此也非常幽默地回答，“Einstein, stop telling God what to
do”。
关于爱因斯坦光盒的争论并没有到此结束，1962年11月17日玻尔去世前，在他书房黑板上的最后一张图，赫然是前一天晚上画的爱因斯坦光盒。
二、爱因斯坦光盒的方法论意义
单纯从物理学角度，爱因斯坦和玻尔这两个巨人间的争论怎么评价都不为过。但其物理意义不谈，爱因斯坦和玻尔关于光盒的讨论从方法论角度也给了我们很好的启示。
1、将日常显而易见的现象置于更稳固基础上
文艺复兴以来，自然科学之所以取得令人惊异的进步，其主要推动力就是伽利略开创的，将日常显而易见的现象置于更稳固基础上的努力。而一旦人们在这一点上取得阶段性胜利以后，用来解释原先的“显而易见的现象”的“稳固基础”又变成了新的“显而易见的现象”，需要为之寻找更稳固的基础。这似乎是一种永无止境的追寻。
从此，人们不再满足于用重物要寻找它们的自然位置来解释重物下落的原因，而是从两个方向为任何解释寻求一个可靠的基础。第一个角度是，我们观察到的现象背后的原因，其实就是个why的问题；第二个角度是，怎样用科学的语言去描述我们观察到的现象，其实就是个in
terms of what的问题。
这种为“日常显而易见的现象”追寻“更稳固基础”的努力，在自然科学特别是数学的发展上，表现得尤为引人注目：
1)数学的第二次危机及其解决(令人惊奇的是，数学的第二次危机的提出，贝克莱主教，是个宗教人士而不是哲学家)
2)康托尔对连续统研究开创性的工作
3)数学基础的三大学派，逻辑主义、直觉主义和形式主义，对数学基础的讨论
4)歌德尔/科恩对不完备性的工作
5)等。
而我们也很有趣地注意到，在某些情况下(越来越接近终极理论的情况下)，人们追求将“显而易见的现象”置于“稳固基础”上的努力的两个方向之间的矛盾(何者是更为基础的)。这就导致了实证主义以及爱因斯坦对量子实在性的质疑(虽然爱因斯坦早期也是实证主义的信徒，集中表现在他抛弃以太的概念，革命性地提出了相对论)。
不得不说，将“显而易见的现象”置于“稳固基础”上的努力是西方世界理性知识分子传统的思维方式。这一传统早期的实践者就是苏格拉底，所以他成为世界上最聪明的人。这种传统既是在黑暗的中世纪也是星火相传。这一努力/这一追寻在基督教的早期历史上也一再重复上演。这是这种努力及其成果，导致了基督教更容易被西方早期知识分子所接受。在这种传统下，由贝克莱主教引发了数学的第二次危机也是在情理之中。
但在东方，很不幸，这种传统是不存在的。人们更多的是关注于圣人是如是说，而不去关注圣人如是说的原因，及圣人达到这一结论的过程。也就是仅关注于being，而不关注于coming
into
being。正是这种思维方式(mindset)的差异，导致了东方的思维相对于西方来说，是静止的，更多地从宇这个维度，而不是从宙这个维度看问题。同样，这也许是东方智慧在对宇的把握上更有独到见解的原因(系统论，例如人体经脉的理论，更多的还是重物自然位置性质的解释)。
在这点上，唯一的例外的案例仅见于孟子在和梁惠王的某次问答：“挟太山以超北海，语人曰：‘我不能。’是诚不能也。为长者折枝，语人曰：‘我不能。’是不为也，非不能也...
”《孟子•梁惠王篇上》。
2、思想试验及其局限
纷繁芜杂的自然界是紧密联系在一起的一个系统。在这个系统中要想把日常显而易见的现象置于更稳固基础上，必然要通过忽略次要矛盾，才能集中注意力于主要矛盾。设计良好的思想试验有助于突出主要矛盾，从而方便人们认清事情的本质。因此，在现代科学的发展中得到了广泛的应用。
思想试验可以追溯到古希腊芝诺关于阿基利斯和乌龟赛跑的讨论。除此之外，比较著名的思想试验还有-伽利略关于两个不同质量的物体捆在一起下落的讨论、薛定谔的猫，以及爱因斯坦的光盒试验等。
但正如玻尔的反驳所展现的那样，思想试验的一个内在缺陷就是它对次要问题/次要矛盾的忽略，其成立的前提是次要问题/次要矛盾不会对问题的结论造成实质性的影响。但问题是，正如玻尔展现的那样，这一点/这一前提假设is
subject to
assessment。在这里，这种对次要问题/次要矛盾的忽略也成为了一个“日常显而易见的现象”，需要被置于“更稳固的基础上”。
这里，我们陷入了一个矛盾当中：一方面，需要忽略次要问题/次要矛盾，很多情况下胡子眉毛一把抓有可能导致问题无法解决；另一方面，那些被忽略的“次要问题/次要矛盾”可能并不是那么“次要”，甚至有可能导致完全相反的结论。何时该/不该忽略“次要问题/次要矛盾”，显然没有放之天下皆准的guideline，即使智慧如爱因斯坦或谢耳朵者也会犯错误。
3、walking through test
正如在玻尔的反驳中展现的那样，将“日常显而易见的现象”置于“更稳固的基础上”的一种方法就是，一步步放在显微镜下看它是如何做的/怎样做到的(这一点非常符合程序员的mindset，但不符合数学家的mindset。数学家往往会满足于给出一个结论：有解，而不会因为无法指出这个解是什么，或者如何才能得到这个解，而感到awkward)。
也就是说，being很重要，coming into
being同样重要。很多看似很棒的计划，往往问题就出在落实上。一个典型的例子就是号称史上最严的黄灯停交规上。
应该说，政府引入这条教规的出发点是相当好的。黄灯本来就是给大家一个缓冲，为马上要来的红灯做准备。但许多司机直接对黄灯视而不见，直到红灯亮才停，导致黄灯实际上没有起到它应有的作用。于是政府打算引入黄灯停的交规，强行promote黄灯的作用。这一出发点是好的。
但问题是，政府在制定这一交规的时候，犯了爱因斯坦式的错误，没有像玻尔(不得不)的那样step by step
examine怎样执行这一交规，否则就会发祥，这一交规在实际执行中的困难，和可能造成的麻烦。
关于这一点，我们的法规制定机关很有必要向西方的立法机关学习。很多情况下，西方的立法是真正从执行层面上被审视过的，证据就是很多执行中的漏洞都被事先堵死了。
但从另一方面来说，史上最严的黄灯停交规这事也不能怪政策制定机关。这是东方人没有将日常显而易见的现象置于更稳固基础上的mindset的必然后果。否则，为啥政策出来了大半年也没有一个人提意见，说这不可行，要到实际执行了出现了问题才开始抱怨呢？我们每个人的智力水平/mindset都是差不多的，要求政策制定机关未卜先知显然也不尽合理。
于思想试验中可能忽略了错误的“次要问题/次要矛盾”相类似，在将“日常显而易见的现象”置于“更稳固的基础上”的walking
through test中也有可能过分夸大了coming into being /
implementation中的困难，导致本来应该可行的方案被认为不可行。
在这纷繁芜杂的世界中真的需要一双慧眼。
借我借我一双慧眼吧，让我把这纷扰看得清清楚楚明明白白真真切切！
