1927年，在比利时布鲁塞尔举行的第五届索尔维国际会议，留下了这张被称为“有史以来最聪明的照片”。这张照片之所以出名，是因为它涉及了关于量子物理学的非确定性本质的“世纪辩论”。更重要的是，这张照片上的许多人在现代物理学核心的理论方面发挥了重要作用。
在这些与会者中，站在辩论一方的是量子力学的创始人，包括维尔纳·海森堡本人，以及他的合作者沃尔夫冈·泡利、马克斯·玻恩、亨德里克·克莱默斯、路易·德·布罗义、尼尔斯·玻尔和保罗·狄拉克。另一方是古典决定论的支持者，其中最突出的代表是阿尔伯特·爱因斯坦，还有马克斯·普朗克、保罗·埃伦费斯特和埃尔温·薛定谔。在29名与会者中，有17人已经或将要获得诺贝尔物理或化学奖。其中还包括玛丽·居里，她已经获得了这两个奖项。
诺贝尔物理学奖得主：
- 洛伦兹（1902）
- 居里夫人（1903）
- 劳伦斯·布拉格（1915）
- 马克斯·普朗克（1918）
- 爱因斯坦（1921）
- 尼尔斯·波尔（1922）
- 阿瑟·康普顿（1927）
- C.T.R.威尔逊（1927）
- 欧文·理查森（1928）
- 路易斯·德·布罗意（1929）
- 维尔纳·海森堡（1932）
- 保罗·狄拉克（1933）
- 薛定谔（1933）
- 沃尔夫冈·泡利（1945）
- 马克斯·玻恩（1954）
诺贝尔化学奖得主：
- 居里夫人（1911）
- 欧文·朗缪尔（1932）
- 彼得德拜（1936）
第五届索尔维国际会议（1927年）
第五届索尔维电子与光子国际会议于1927年10月在比利时布鲁塞尔举行。自1911年成立大会以来，索尔维会议一直致力于研究物理学中杰出的开放问题，大约每三年举行一次。从1913年到1961年，每一次聚会都围绕着量子理论的开放问题展开。
1927年，由亨德里克·洛伦兹主持，这次会议的主题是“光子和电子”。实际上，1927年的会议围绕着两个新兴物理学派之间日益激烈的争论展开：一派被海森堡引入的量子力学所吸引，另一派仍然坚持决定论范式。前者由尼尔斯·玻尔领导，后者由阿尔伯特·爱因斯坦领导。
本文通过上面这张照片讲述所谓的“量子物理学黄金时代”的起源，突出了1927年第五届索尔维会议期间最有影响力的人物和他们的观点。
照片的后排
- 从左到右：奥居斯特·皮卡尔，埃米尔亨里厄特, 保罗·埃伦费斯特，爱德华·赫尔岑，塞菲尔·代·多德，薛定谔，JE Verschaffelt，沃尔夫冈·泡利，海森堡，拉尔夫·福勒，莱昂·布里渊。
从后排左边开始，我们看到几张熟悉的面孔，还有一些不太熟悉的面孔。例如，我们所知的瑞士物理学家、发明家和探险家奥居斯特·皮卡尔（Auguste Piccard, 1884-1962）最著名的是他大胆的、打破纪录的氦气气球飞行，以及发明了第一个深海潜水器，早在1948年，他就用这台潜水器进行无人潜水，探索海洋深处。
埃米尔亨里厄特（Émile Henriot，1885-1961），玛丽·居里的学生，法国化学家，因首次证明钾和铷是天然放射性物质而闻名。爱因斯坦的著名密友，荷兰-奥地利物理学家保罗·埃伦费斯特，他的博士导师是路德维希·玻尔兹曼，他对统计力学及其与量子力学的关系，包括相变理论做出了重大贡献。继续向右，我们看到爱德华·赫尔岑（Édouard Herzen，1877-1936），他是一位比利时化学家。JE Verschaffelt和塞菲尔·代·多德都是比利时的物理学家，后者最著名的是他发展了牛顿化学亲和概念和吉布斯自由能概念之间的关联。
拉尔夫·福勒是一位英国物理学家和天文学家，他最为人所知的也许是与狄拉克合作研究白矮星的统计力学，把狄拉克引入量子理论并通过尼尔斯·玻尔让狄拉克和海森堡相互接触。里昂·布里渊(1889-1969)是一位法国物理学家，他在会议的前一年写了一篇关于固体量子理论的论文，与格雷戈尔·文策尔和汉斯·克雷默斯独立开发了现在所知的WKB近似，用于寻找具有空间变化系数的线性微分方程的解。
除了上面提到的，照片的后排还有：
- 维尔纳·海森堡
- 沃尔夫冈·泡利
- 埃尔温·薛定谔
我们单独介绍。
维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）
26岁的德国物理学家维尔纳·海森堡在1925年发表了突破性论文《运动学和力学关系的量子理论重新解释》，为矩阵力学奠定了基础，量子力学中第一个概念上独立且逻辑上一致的公式。
据报道，海森堡在与沃尔夫冈泡利的通信中一直在研究这篇论文。论文的目的是试图通过量子跃迁的跃迁概率等可观测参数来描述一维非谐振子的能级，1925年7月，海森堡把这篇论文寄给了马克斯·玻恩，让他审阅并决定是否发表。1925年9月，论文发表在了《时代周刊》上。
- 左：维尔纳·海森堡。右：海森堡1927年的论文，他在其中介绍了著名的海森堡不确定性原理。
两年后的2月，海森堡完成了他的另一篇革命性的论文《论量子运动学和力学的描述性内容》，其中他介绍了海森堡不确定性原理。据报道，他请求尼尔斯·玻尔将其转发给爱因斯坦，玻尔照做了。
即使在理论上，我们也不可能知道（粒子）所有的细节。因此，观察到的一切都是从大量可能性和对未来可能性的限制中选择的....位置越准确地确定，动量在这一时刻就越不准确，反之亦然。——海森堡
海森堡的不确定性原理本质上是由数学不等式组成的，它著名地断言，粒子的某些物理特性对的精确度是有基本限制的。与他对矩阵力学的介绍相结合，这篇论文帮助海森堡获得了1932年诺贝尔物理学奖
量子力学的创造——诺贝尔委员会（1932）
沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）
在海森堡发表了介绍现代量子力学矩阵理论的论文不久之后，奥地利的沃尔夫冈·泡利在他的论文《从新量子力学的立场看氢光谱》中，用矩阵理论推导出了氢原子的观测光谱，从而首次验证了海森堡的理论。正如泡利在论文摘要中解释的那样：
它表明，单电子原子的巴尔默项是由新的量子力学正确地产生的，而旧理论中出现的困难……在新理论中消失了。
- 左：沃尔夫冈泡利。右：泡利1926年发表的论文《从新量子力学的立场看氢光谱》，他使用海森堡的量子力学矩阵理论推导出了氢原子的观测光谱
关于这项工作，马克思·玻恩后来说，从泡利的计算发表的那一刻起，物理学家对理论（指量子力学）的正确性不再有任何疑问。
埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）
到1927年会议召开的时候，奥地利传奇物理学家埃尔温·薛定谔已经40岁了，他已经担任了六年的正教授，先是在弗罗茨瓦夫大学，后来在苏黎世大学。
薛定谔这个名字最出名的可能是他提出的广受欢迎的量子力学思想实验“薛定谔的猫”。然而，他对物理学最重要的贡献是在1926年发表的论文《量子化作为特征值问题》中引入了所谓的薛定谔方程，该方程描述了量子力学系统的波函数：
- 含时间的薛定谔方程，其中i为虚单位，ħ为简化普朗克常数，ψ为量子系统的状态向量，t为时间，H为哈密顿算符。
薛定谔随后与保罗·狄拉克一起获得了1933年的诺贝尔物理学奖。
- 左：薛定谔。右：薛定谔在1926年发表的论文中，提出了著名的薛定谔方程
尽管薛定谔在量子力学的基础理论上发挥了重要作用，但他从未完全适应它的含义，后来写道：“我不喜欢它，我很抱歉我曾经与它有过任何关系。”他提出薛定谔的猫，实际上是在嘲笑他帮助创造的物理学的非确定性观点的含义。
照片的中间一排
- 从左到右：彼得·德拜、马丁·克努森、威廉·劳伦斯·布拉格、亨德里克·安东尼·克莱默斯、保罗·狄拉克、阿瑟·康普顿、路易·德·布罗意、马克斯·玻恩、尼尔斯·玻尔
还是从左边开始，我们看到了另一位诺贝尔奖得主，荷兰化学家彼得·德拜，他主要因将偶极矩的概念应用于不对称分子的电荷分布而闻名。在他的左边，我们看到马丁·克努森，丹麦物理学家，以研究分子气体流动和克努森细胞的发展而闻名，以及劳伦斯·布拉格，英国物理学家，1915年诺贝尔奖获得者。与狄拉克一同出席的还有1927年诺贝尔奖得主、美国物理学家阿瑟·康普顿，他因发现证明了电磁辐射粒子性质的康普顿效应和后来对曼哈顿计划的贡献而闻名。路易·德·布罗意，保罗·朗之万的学生也在场。德布罗意是第一个（在他1924年的博士论文中）假设电子的波性并提出所有物质都具有波性的人。现在被称为“德布罗意假说”，薛定谔在他的波动力学公式中使用了德布罗意的思想。在1927年戴维森-革末实验的验证之后，德布罗意在1929年获得了诺贝尔物理学奖。
除了这些杰出的人，我们再次把注意力集中在少数几个在早期量子理论的形成中特别突出的人，他们是：
- 尼尔斯·波尔
- 克莱默斯
- 马克斯玻恩
- 保罗·狄拉克
尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）
尼尔斯·玻尔，会议召开时42岁，这位丹麦物理学家因1913年提出的玻尔原子模型而闻名，该模型认为电子的能级是离散的，电子在围绕原子核的稳定轨道上旋转，但可以从一个能级（轨道）跃迁到另一个能级。这个模型为玻尔赢得了1922年的诺贝尔物理学奖。丹麦被德国人占领后，他亲自游说海森堡（当时德国核武器项目的负责人）关于核战争的影响。他也是英国驻曼哈顿计划使团的一员，后来参与了日内瓦欧洲核子研究中心的建立。
- 左：尼尔斯·玻尔。右：玻尔1913年发表的关于原子和分子结构的论文，在这篇论文中，玻尔引入了现在被称为玻尔原子模型的理论。
在这次会议之前，海森堡一直在哥本哈根大学担任讲师。玻尔把海森堡不确定性原理的论文介绍给了爱因斯坦。在会议期间，玻尔带头为海森堡的理论进行辩护，他与爱因斯坦辩论了爱因斯坦通过“狭缝实验”提出的批评：
思想实验：狭缝实验
考虑一个粒子通过一个宽度为d的狭缝。由于粒子穿过了墙壁，这个狭缝引入了动量约为h/d的不确定性。但是，让我们通过测量墙的反冲来确定粒子的动量。在这样做的过程中，我们通过动量守恒得到了粒子任意精度的动量。
玻尔的回应很简单：他认为光子穿过的墙实际上也是一个量子力学系统。因此，为了测量壁的反冲达到 Δp的精度，在粒子通过之前，墙的动量也必须达到这个精度。这意味着，在这样的精度下，墙的位置实际上也是不确定的，就像穿过它的粒子一样。因此，狭缝的位置等于h/Δp，如果已知墙的动量足以测量反冲，狭缝的位置就足够不确定，因此不允许测量它的位置，这符合海森堡的不确定性原理。
玻尔在辩论中的胜利，以及他在哥本哈根大学与海森堡的密切关系，导致了以海森堡、玻尔、玻恩等人为首的非确定性观点被命名为量子物理学的“哥本哈根解释”。
克莱默斯（Hendrik A. Kramers）
坐在中间一排的还有荷兰物理学家亨德里克·克莱默斯（Hendrik Kramers, 1894-1952），他曾在哥本哈根师从玻尔攻读博士学位。在1925年海森堡发现量子力学之前，克莱默斯和他一起研究了所谓的克莱默斯-海森堡色散公式，该公式表示了光子被电子散射的横截面，是海森堡1926年结果的基础。
- 左：克莱默斯。右：克雷默斯1925年与海森堡合著的论文《关于原子辐射的散射》，介绍了克莱默斯-海森堡色散公式
保罗·狄拉克（Paul Dirac）
当时在场的著名物理学家之一保罗·狄拉克，当时25岁，是剑桥大学拉尔夫·福勒手下的一名研究员。一年前，他完成了博士学位，完成了第一篇关于海森堡量子力学的论文。
- 左：保罗·狄拉克。右：狄拉克1928年的论文《电子的量子理论》中，他引入了狄拉克方程作为电子波函数的相对论运动方程
狄拉克的导师（福勒）收到了海森堡第一次介绍矩阵力学的论文的副本，并把它交给狄拉克让他检验。狄拉克注意到一种奇怪的数学关系，他后来意识到这种关系的结构与粒子运动的经典动力学中的泊松括号相同。这一发现导致他引入了基于非交换动态变量的量子理论，这使他获得了新颖而有启发性的量子化规则（从经典到量子理解物理的过程），也就是所谓的标准量子化过程。他的规则融合了海森堡矩阵力学和薛定谔波动力学的思想，并表明它们实际上是等价的。正如他的仰慕者斯蒂芬·霍金后来写道：“在现代量子力学的三位创始人中，海森堡和薛定谔可以说是对该理论有了初步贡献，但狄拉克把它们结合在一起，揭示了一切。”
索尔维会议一年后，狄拉克独立于泡利发现了现在被称为狄拉克方程的东西，它描述了所有自旋为-½的粒子，如电子和夸克，对它们来说宇称是对称的。这是第一个暗示反物质存在的发现，几年后才通过实验得到证实。狄拉克随后与薛定谔分享了1933年的诺贝尔物理学奖。
马克斯玻恩（Paul Dirac）
最后，在中间的一行，我们还发现了德国物理学家和数学家马克斯·博恩，他虽然没有海森堡有名，但在发展矩阵力学和概率密度函数公式方面发挥了重要作用，后来被薛定谔运用在了薛定谔方程中。
在会议的前一年，为了回应海森堡1925年发表的论文，他提出了量子力学最好由概率来理解的观点。我们现在所知道的玻恩规则，给出了在量子系统上的测量将产生一个给定结果的概率。它是在1926年发表的论文《论碰撞的量子力学》中首次提出的。在这篇论文中，玻恩解决了一个散射问题的薛定谔方程。这条规则现在被认为是量子力学的基本定律。
- 左：马克斯·玻恩。右：玻恩在1926年发表的论文《论碰撞的量子力学》中定义了现在所知的玻恩规则。
到1927年10月的会议召开时，玻恩和海森堡对他们的结果非常自信，他们宣称量子力学是“完整的、不可辩驳的”：
当我们考虑. .电磁场的量子力学处理。尚未完成，我们认为量子力学是一个封闭的理论，其基本的物理和数学假设不再受任何修改的影响。关于“因果律的有效性”的问题，我们有这样的观点：只要我们只考虑我们目前获得的物理和量子力学经验领域内的实验，原则上的非决定论的假设，这里作为基础，与经验相符。——玻恩和海森堡（1927）“量子力学”。第五届索尔维大会的会议记录
照片的前排
- 从左到右：欧文·朗缪尔，马克斯·普朗克，玛丽·居里，亨德里克·洛伦兹，阿尔伯特·爱因斯坦，保罗·朗之万，查尔斯·尤金·盖伊， C. T. R. 威尔逊，欧文·理查森
最后，照片的第一排主要由（当时）老牌物理学家坐镇，他们中有些人从事量子物理学工作，有些人则没有。
居里夫人是这次会议上唯一一位同时获得诺贝尔物理学奖和化学奖的人，她从未从事过量子理论的研究。相反，她在放射性的性质上做出了不朽的贡献，她发现了镭和钋元素，并成功地分离和研究了前者的性质。同样，会议主席亨德里克·洛伦兹虽然在1926年曾在康奈尔大学做过一系列关于量子物理的演讲，但他本人从未发表过关于这个主题的研究。
欧文·朗缪尔是一位美国化学家和物理学家，1932年因其在表面化学方面的研究而获得诺贝尔奖。法国物理学家保罗·朗之万最著名的是他对朗之万动力学和朗之万方程的发展。在朗之万的左边是瑞士物理学家查尔斯·尤金·盖伊，他是爱因斯坦在苏黎世联邦理工学院的老师之一，他的实验结果是最早支持洛伦兹和爱因斯坦关于狭义相对论的预言的人之一。苏格兰人查尔斯·汤姆森·里斯·威尔逊是一位物理学家和气象学家，他因发明了所谓的云室（cloud chamber）而在大会那一年获得了诺贝尔奖。云室是一种粒子探测器，用于观察电离辐射。第二年，诺贝尔奖授予了威尔逊左边的欧文·理查森，他是一位英国物理学家，以热电子发射和理查森定律的推导而闻名。
然而，最引人注目的是坐在前排的两位老人：
- 马克斯·普朗克
- 阿尔伯特·爱因斯坦
马克斯·普朗克（Max Planck）
普朗克在量子物理学的建立中发挥了关键的作用，他在1900年提出了著名的普朗克黑体辐射定律，或简称普朗克定律。后来，爱因斯坦和薛定谔在他们获得诺贝尔奖的论文中都使用了普朗克定律，它描述了热平衡状态下黑体发射的电磁辐射的光谱密度。
- 左：马克斯·普朗克。右：普朗克在1900年发表的两篇论文中的第一篇《关于维恩光谱方程的改进》，其中他首次提出了普朗克黑体辐射定律
普朗克因其在量子理论方面的早期工作而获得1918年诺贝尔物理学奖，然而他否定了海森堡和波恩的量子力学，期望薛定谔的波动力学让量子力学变得没有必要。
他天生是个保守的人，他一点也不懂革命，对猜测完全持怀疑态度。然而，他对事实的逻辑推理的说服力的信念是如此强烈，以至于他毫不犹豫地宣布了一个最革命性的想法，这个想法曾撼动过物理学。——马克斯·玻恩谈普朗克
阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）
最后，当然，坐在最前面、最C位的是阿尔伯特·爱因斯坦。在他48岁的时候，爱因斯坦已经通过引入狭义相对论和广义相对论、质能等价和光电效应的性质等结果，多次改变了物理学。1921年，他已经获得了诺贝尔奖，但在海森堡1925年发表了介绍矩阵力学的论文后，他对现代物理学的发展方向非常不满。坚定的宿命论者，他的名言：
无论如何，我确信上帝不玩骰子。——爱因斯坦
是在索尔维会议上与玻尔对峙时说出的。这两个人在这个问题上公开辩论，一直持续到1935年所谓的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森的论文发表，题为《物理现实的量子力学描述能否被认为是完整的》。
- 左：爱因斯坦。右：爱因斯坦1905年的论文《关于光的产生和转化的启发式观点》首次提出了能量量子的想法
会议一年后，尽管两人意见不一，爱因斯坦还是提名海森堡和玻恩为诺贝尔奖候选人。他后来也提名了沃尔夫冈·泡利。尽管他们不常见面，也没有经常通信，但爱因斯坦和玻尔的相互钦佩一直存在，正如爱因斯坦的秘书海伦·杜卡斯后来所说：
他们深爱着对方。
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