“万事不决、量子力学”：爱因斯言对量子理论的心思有...

重庆至诚

“万事不决、量子力学”：爱因斯言对量子理论的心思有多深？

67年前的今天，1955年4月18日，享誉世界的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦去世，享年76岁。

爱因斯坦被公认为20世纪最伟大的科学家，也是当时的偶像级人物。

他曾受邀在伦敦帕拉丁剧场上演个人秀，连演三周。妇女们一见到他，就兴奋得几乎要晕厥。在日内瓦，姑娘们一看到爱因斯坦就会把他围得水泄不通。放在今天，这种追捧是只有流行歌手和电影明星才有的待遇。

第一次世界大战结束后，也就是1919年，爱因斯坦通过广义相对论预言的光线弯折现象得到了证实，他也因此成了第一个诞生于科学界的超级巨星。

这股追捧热潮到了1931年1月爱因斯坦在美国做巡回演讲时也几乎没有消退，他当时还出席了查理·卓别林的电影《城市之光》在洛杉矶的首映式。观众看到卓别林和爱因斯坦时都热烈地欢呼起来。“他们为我欢呼，是因为他们都理解我的作品，”卓别林对爱因斯坦说，“而为你欢呼，则是因为他们都不理解你的理论。”

爱因斯坦提出的相对论永远改变了我们对这个世界的认识。

狭义相对论统一了能量和质量的关系，提出了著名的质能方程E=mc²，促使了核能的使用；而我们目前对于宇宙所有的知识其实都是起源于广义相对论，引力的本质、宇宙大爆炸、暗物质......

如今人们说到爱因斯坦，言必称相对论，但他在另一个领域做出的贡献，却被大大忽略了，那就是量子力学。

爱因斯坦亲口承认：“我思考量子问题的时间百倍于思考广义相对论的时间。”

爱因斯坦是量子理论的主要创建者之一，在分子运动论和量子统计理论等方面也做出了重大贡献。他的高瞻远瞩和敏锐洞见，指引了一代代物理学家前进的方向：

爱因斯坦提出了解释光电效应的方程。罗伯特·密立根验证了这个方程而获得了1923年诺贝尔物理学奖；

爱因斯坦洞见了布朗运动的真相。让·皮兰用一系列精细的实验证明了爱因斯坦的说法，皮兰也因此荣获1926年诺贝尔奖；

爱因斯坦提出了光量子假说。阿瑟·康普顿关于电子散射X射线光子发现，既“康普顿效应”，无可辩驳地证实了爱因斯坦的光量子假说，康普顿因此获得1927年诺贝尔物理学奖；

爱因斯坦第一个预言了光子的“波粒二象性”。德布罗意将这个特性拓展到了所有粒子，并因此获得1929年诺贝尔物理学奖；

爱因斯坦在听了海森堡关于矩阵力学的报告后，精确指出了他理论中的不足，促使海森堡进一步深入，最终提出了量子理论史上最伟大、影响最深远的成就之一，不确定性原理；

在量子力学的内涵上，爱因斯坦与玻尔展开了持续几十年的论战，倒逼玻尔不断完善哥本哈根诠释；

爱因斯坦与玻尔关于现实本质之争，是贝尔定理背后的灵感所在。而对贝尔不等式的检验，或直接或间接地催生了包括量子密码学、量子信息理论和量子计算在内的诸多新科研领域......

然而，“上帝不掷骰子”这句为人熟知的话袒露了爱因斯坦对当时量子理论的质疑和矛盾心理。在普林斯顿结识爱因斯坦的科学史学家、粒子物理学家亚伯拉罕·佩斯回忆说：“谈起相对论，他超然物外；谈起量子理论，他充满热情，量子就是他的恶魔。”

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工作中的爱因斯坦。来源/纪录片《爱因斯坦》截图

让我们将时间倒退到1927年，一起见证量子对于爱因斯坦来说究竟意味着什么。

1927年10月24-29日，主题是“电子和光子”的第五次索尔维会议在布鲁塞尔召开。与会者拍摄了一张著名合影，这张照片浓缩了物理学史上最富戏剧性阶段的故事。受邀参加这次大会的29名科学家中最终有17人获得了诺贝尔奖，这次大会也是有史以来思想碰撞最为激烈的会议之一。17世纪，伽利略和牛顿开创了一个无与伦比的科学创新时代，也就是物理学黄金时代，而第五次索尔维会议则标志着这个时代的终结。

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第五次索尔维会议合影，讨论新量子力学及与其有关的问题。

后排从左到右：奥古斯特·皮卡德、E.亨里厄特、保罗·埃伦费斯特、E.赫尔岑、T. 德唐德、埃尔温·薛定谔、J. E. 费斯哈费尔特、沃尔夫冈·泡利、沃纳·海森堡、拉尔夫·福勒、莱昂·布里卢安；

中排从左到右：彼得·德拜、马丁·克努森、威廉·L. 布拉格、亨德里克·克喇末、保罗·狄拉克、阿瑟·霍利·康普顿、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、尼尔斯·玻尔；

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·郎之万、查尔斯-欧仁·居伊、C. T. R. 威尔逊、欧文·理查德森。摄/本杰明·库普利，1927年。来源/[英]曼吉特·库马尔《量子传》配图

照片中，在象征荣耀的前排正中位置坐着一位诺贝尔奖得主，也是牛顿时代之后最负盛名的科学家：阿尔伯特·爱因斯坦。照片中的他右手紧紧扶着椅子，直视前方，似乎不太自在。让他不自在的是他的翼领和领带，还是这一周中听到的种种话语？

在这次大会期间，玻尔和爱因斯坦围绕量子力学的核心问题展开了旷日持久的争论，爱因斯坦不屈不挠，一整周都在努力证明量子力学并不完备，以及玻尔的哥本哈根诠释存在缺陷。许多年后，爱因斯坦说：“这个理论让我觉得有点儿像是一个极度聪慧的偏执狂妄想出来的系统，他把许多不相关的思想元素都糅合到了一起。”虽然爱因斯坦提出的质疑被一一化解，但玻尔仍旧没能说服爱因斯坦接受阐述量子力学描绘现实本质的“哥本哈根诠释”。

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1930年，布鲁塞尔的第六次索尔维会议期间，爱因斯坦和玻尔并肩行走。

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摄/保罗·埃伦费斯特。来源/[英]曼吉特·库马尔《量子传》配图

为何爱因斯坦如此固执？

爱因斯坦在孩童时期喜欢独处，最喜欢的活动就是用纸牌搭建尽可能高的房子。他有耐心，也有毅力，10岁的时候就能搭出14层高的纸牌屋。正是这些已经成了他性格的基本要素的特质，让他后来不懈追寻着自己的那些别人或许早已放弃的科学思想。 他后来说：“上帝赋予了我骡子一般的倔强，以及相当敏锐的嗅觉。”爱因斯坦坚称自己没有什么特殊才能，有的只是强烈的好奇心。

当然，别人可不这么看。很多人都有好奇心，但爱因斯坦的好奇心与执着产生了强烈反应，驱使他在同龄人被告知不要再问那些近乎孩子气的问题之后许久，仍旧持续追寻着这些问题的答案。坐上光束，与光一道旅行，会是怎样的场景？正是为了回答这个问题，爱因斯坦才踏上了长达10 余年的相对论研究之路。 爱因斯坦对于当时量子理论的质疑同样如此。

1927 年，沃纳·海森堡做出了一项极其不符合常识的发现。这项发现奇怪到连海森堡这位年少成名的德国量子力学大师一开始也难以掌握其精髓。它就是不确定性原理：如果我们掌握了某个粒子的确切速度，就无法掌握它的确切位置；反之亦然。没人知道该怎么解释量子力学方程，也没人知道这个理论是怎么在量子层面上介绍现实本质的。自柏拉图和亚里士多德时代以来，有关因果关系的问题和月亮在无人看它时究竟是否存在这样的问题，就一直是哲学家的保留节目，但量子力学问世之后，20 世纪的伟大物理学家们也加入了对这些问题的讨论。

玻尔认为，根本“没有量子世界”，有的只是“抽象的量子力学描述”。而爱因斯坦则认为，现实独立于感知存在。他们两人的争论不仅有关究竟哪种物理学可以成为描述现实的有意义理论，更与现实自身的本质相关。 爱因斯坦确信，玻尔以及哥本哈根诠释的支持者正在用现实玩一场“风险极大的游戏”。

他曾说：“量子力学就好像是一块从地底下硬拽出来的地皮，目力所及没有一块可供人们建造大楼的坚实地基。”然而，当时哥本哈根诠释已经深入人心，为绝大部分物理学家所接受，成了年青一代物理学家普遍秉持的观点。他们从小就学习量子理论，并且赞同保罗·狄拉克对这门学科的评价：量子力学能解释“大部分物理学问题和所有化学问题”。

在这些青年物理学家看来，虽然还有一些老人争论量子力学的内涵，但考虑到这门理论在实践上的巨大成功，这样的争议无关紧要。 “普林斯顿是一家疯人院”，而“爱因斯坦则是一个彻头彻尾的疯子”，罗伯特·奥本海默写道。那是1935 年1月，这位土生土长的美国顶尖理论物理学家当时31 岁。爱因斯坦自己也承认，他对量子力学的批评态度无疑让自己“在普林斯顿成了别人眼中的老傻瓜”。

当时已50多岁的爱因斯坦，知道大家把自己看作过去时代的遗迹，认为自己拒绝或无法与量子力学共存。不过，爱因斯坦也很清楚他与薛定谔和大多数同行的不同之处：“几乎其他所有同行都是从理论看事实，而非从事实看理论。他们无法自行从某个曾被接受的概念网中解脱，只能以一种怪异的方式在里面扑腾。” 1933 年10月来到普林斯顿高等研究院的时候，相关人员带着爱因斯坦去了给他准备的新办公室，并且询问他需要什么设备。“一张桌子、一把椅子，纸和笔，”爱因斯坦回答说，“哦，对了，还要一个大大的废纸篓，我要把所有的错误都扔到里面去。

”爱因斯坦确实犯了很多错误，但他从未在追寻心中圣杯的旅途中灰心丧气，这座圣杯就是统一场论。 麦克斯韦在19世纪将电、磁和光统一到了一个包含所有的理论框架中，爱因斯坦也希望像他那样把电磁理论和广义相对论统一起来。在他看来，这样的统一就是下一阶段的目标，这不但合乎逻辑，而且是物理学发展的必然结果。

1925年，爱因斯坦第一次尝试构建这样一种理论，那也是他诸多以失败告终、被扔进废纸篓的尝试中的第一次。 量子力学出现后，爱因斯坦认为，这个新理论只是统一场论可以推导出来的副产品。

1927年和1930年的两次索尔维会议上，爱因斯坦都尝试以证否不确定性原理的方式证明量子力学不自洽，因而不完备。而玻尔则在海森堡和泡利的帮助下，成功拆解了爱因斯坦提出的每一个思想实验，从而捍卫了哥本哈根诠释。从那之后，爱因斯坦的立场就变成了：虽然量子力学在逻辑上自洽，但它并不是玻尔声称的那种最终理论。爱因斯坦知道，他需要采用新策略，才能证明量子力学不完备，证明这个理论没有充分体现物理实在。为了实现这个目标，他设计了一个不朽的思想实验。 尽管陷入孤立无援的境地，但始终都有青年物理学家热诚地希望同爱因斯坦一起做研究。

1935年，爱因斯坦和当时25岁的助手内森·罗森、39 岁的鲍里斯·波多尔斯基一起推动他的这个想法，完成了一篇只有4页的论文。这篇论文就是如今大名鼎鼎的EPR论文。5月15日，这篇题为《量子力学对物理实在的描述是否可视作完备？》在美国物理学期刊《物理学评论》上正式发表，标志着他与玻尔的争论进入了全新阶段，也意味着爱因斯坦对哥本哈根诠释发起了新一轮的进攻。

1935 年5月4日，《纽约时报》在第11版刊登了一篇文章，标题是夺人眼球的《爱因斯坦向量子理论发起进攻》。文中称：“爱因斯坦教授即将向量子力学这一重要科学理论发起进攻。从某种意义上说，他本人也是这一理论的始祖。而现在，他认为这个理论虽然‘正确’，但并不‘完备’。” EPR论文一发表，全欧洲的顶尖量子理论先驱都如坐针毡。当时身在苏黎世的泡利愤怒地给身处莱比锡的海森堡写信：“正如我们所熟知的那样，无论何时爱因斯坦发出这样的声明，都是一场灾难。”玻尔看到EPR论文后立刻放下了其他一切工作，全神贯注地开始全面检视EPR思想实验。一段时间后，越发焦躁不安的玻尔意识到，爱因斯坦提出的这个论断既天才又巧妙，驳斥EPR论文远比他最初想象的困难。

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泡利和玻尔玩陀螺。来源/梁军《夜空中最亮的星 古今物理二十杰》

在接下去的6周中，玻尔抛下了其他所有工作，夜以继日地研究这个问题。7月13日，《物理学评论》收到了玻尔的回应文章。玻尔特意选择在相同期刊上发表对爱因斯坦的回应，并且同样以《量子力学对物理实在的描述是否可视作完备？》为题。

很可惜，玻尔对EPR的回应算不上明确。爱因斯坦对玻尔提出的这种“巫术般的作用力”以及“幽灵般的相互作用”不屑一顾。“似乎很难看穿上帝的底牌，”他后来写道，“但我永远都不相信他会掷骰子，或者使用某些类似于‘心灵感应’的设备（按照现在的量子理论，他就是使用了这样的东西）。

” EPR论文正式发表后不久，爱因斯坦就收到了薛定谔的一封信，后者写道：“在刚刚发表于《物理学评论》的那篇论文中，你显然抓到了那些教条的量子力学支持者的尾巴，为此，我很高兴。”在此后的通信中，爱因斯坦提出了一个盒中藏球的思想实验来驳斥哥本哈根诠释。后来，爱因斯坦把这个例子升级成了一个更为爆炸性的场景。他请薛定谔想象一桶不稳定的火药。这些火药在第二年某个时候会自燃。

起初，波函数描述的是一种确定的状态：一桶没有爆炸的火药。然而一年后，波函数“描述的就是一种系统已经爆炸和和尚未爆炸的混合状态”。“没有任何解释能把这种波函数变成对这一事件真实状态的充分描述，”爱因斯坦对薛定谔说，“因为在现实中，并不存在任何介于已爆炸和未爆炸之间的状态。”这桶火药要么已经炸了，要么没有炸。爱因斯坦表示，这个“朴素的宏观例子”向我们展示了EPR思想实验中遇到的同种“困难”。 1935年6-8月，薛定谔和爱因斯坦频繁的信件往来促使薛定谔仔细审视哥本哈根诠释。他俩这番对话的成果就是当年11月29日至12月13日之间分为三部分发表的论文。薛定谔说，他不知道应该把这篇题为《量子力学现状》的论文称为“报告”还是“全面审视”。无论如何，这篇论文中都出现了一个章节。这个章节的内容与一只猫的命运有关，而且产生了持久性的影响。

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file:///C:/Users/Lenovo/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.png薛定谔的猫。来源/（日）茂木健一郎《科学的感动 爱因斯坦和相对论》

至此，爱因斯坦与玻尔关于量子力学诠释的争论，已经演变成了一场有关现实本质这个哲学信念的讨论。爱因斯坦是哲学上的现实主义者，并且明白这种现实主义立场是无法证实的。它是一种关于无法证实之现实的“信念”。虽然可能无法证明现实的存在，但在爱因斯坦看来，“每个人都希望理解存在和现实”。

爱因斯坦同样迫切地希望改变物理学，他并不是很多人认为的那种保守老古董。爱因斯坦从来没有抛弃经典物理学的本体——独立于观测者存在的现实，但他准备与经典物理学决裂。哥本哈根诠释背书的现实观就足以令他这么做。爱因斯坦想要的，其实是一场比量子力学更为彻底的革命。

后来，玻尔曾多次造访普林斯顿，但一直没能改变爱因斯坦对量子力学的看法。海森堡也没能做到这点，他在战后只和爱因斯坦见过一次面，当时海森堡正在美国开巡回讲座，而玻尔于1954年最后一次造访普林斯顿也是在那期间。爱因斯坦邀请海森堡到家中，他俩喝着咖啡、吃着蛋糕度过了下午的大部分时光。 “我们没有讨论任何与政治相关的内容，”海森堡回忆说，“爱因斯坦所有的兴趣都集中在对量子理论的诠释上。这个问题始终困扰着他，一如25年前在布鲁塞尔那样。”爱因斯坦依旧坚持自己的观点。“‘我不喜欢你们那种物理学’，他当时这么说。” 自从1950年夏天，医生发现他的主动脉瘤正在不断扩大之后，爱因斯坦就知道自己过一天少一天了。

他活过了自己的76岁生日。爱因斯坦生命里的最后一些重大举动中，有一项是签署伯特兰·罗素撰写的核裁军宣言。爱因斯坦还写信给玻尔，请求后者也在宣言上署名。“别那样皱眉！这和我们在物理学上一直以来的争议无关，而是一件我俩都完全赞成的事。” 1955年4月13日，爱因斯坦胸痛严重，两天后被送往医院。“我想什么时候离开，就什么时候离开，”他说，并且拒绝接受手术，“人为延长生命毫无意义。我已经做了我该做的，是时候离开了。” “如果每个人的一生都像我这样，就不需要什么小说了。”爱因斯坦曾在给妹妹的信中这么写道。写信的时间是1899年，爱因斯坦20岁。

本文经出版社授权，整理自《量子传：究竟什么才是现实》——