如何科學地吵架？這個問題，他們的爭論影響了一個世紀 | 量子百年5

從1925年6月海森堡前往北海黑爾戈蘭島休假開始，一場量子物理的風暴悄然醞釀。隨后短短一年時，新思想像火山爆發(fā)般涌現(xiàn)——矩陣力學和波動力學相繼問世，量子力學的理論大廈巍然矗立。量子力學掌控著微觀世界，然而圍繞量子力學本質的解釋卻讓物理學家們長期爭論不休。

01

交鋒：索爾維1927

爭論以多種形式展開：書信往來、論文交鋒，但都比不上面對面的思想碰撞來得痛快。1927年10月，物理學界的全明星陣容齊聚比利時布魯塞爾，參加第五屆索爾維會議。在這次會議上，29位與會者中有17人已是或將成為諾貝爾獎得主，唯一的女性，居里夫人得過兩次諾貝爾獎。會議的合影也成為流傳很廣的科學明星合影。而真正讓這次會議載入史冊的，是愛因斯坦與玻爾之間那場影響深遠的世紀辯論。

薛定諤的波動方程因其簡明易學，很受歡迎，人氣很高。方程的解——波函數(shù)描述的既不是機械波也不是電磁波，而是全新的“概率波”。電子圍繞原子核運動的經(jīng)典圖像被拋棄，取而代之的是如一團云霧般的“電子云”，電子云亦非實體，它是核外電子在空間的概率分布的直觀呈現(xiàn)，密度大的地方表明此處電子出現(xiàn)的概率也大。

▲電子云動圖（來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/644110295）

當物理學家繼續(xù)追問“概率”的本質時，分歧產(chǎn)生了，形成了兩大對立的陣營。

以玻爾為代表的哥本哈根學派認為，量子力學的概率性是內(nèi)在的、根本的。我們只能計算出電子出現(xiàn)在某個位置的概率，而不是確定的預言。電子在被測量之前，處于一種所有可能性的“疊加態(tài)”。

愛因斯坦堅信宇宙遵循決定論，量子力學的概率性是現(xiàn)有理論的不完備帶來的，也就是說，存在一些我們尚未知道的“隱變量”，一旦掌握這些變量，就能恢復對微觀世界的確定性描述。

雙方的爭論最終被提煉為一個生動的比喻——“上帝擲不擲骰子？”

這場爭論超越物理范疇，上升到哲學立場之爭。理論物理學家在唇槍舌劍，實驗物理學家在一旁吃瓜。

02

僵持：薛定諤之貓是死是活？

1935年，愛因斯坦陣營的薛定諤提出著名的“薛定諤貓”思想實驗，來“揭示”哥本哈根學派所謂“疊加態(tài)”的荒謬性。實驗設想將一只貓與一個由放射性原子控制的毒氣裝置同置于密閉箱中。若原子發(fā)生衰變，毒氣釋放，貓便會死亡；而一小時內(nèi)原子衰變的概率為50%。請問：一小時后，貓咪是死是活？打開箱子，貓的狀態(tài)很確定，要么死，要么活；不打開箱子，貓就處于生和死的量子疊加態(tài)。

一只既活著又死了的貓，薛定諤認為這很可笑。

玻爾等人用互補性原理等做出回應，但無法讓薛定諤心服口服，實驗物理學家繼續(xù)吃瓜。薛定諤不僅嘲諷道：“我們不可能用單個電子或單個原子做實驗……如果可能的話，后果將非常可笑……”

愛因斯坦陣營繼續(xù)出招。他和波多爾斯基、羅森三人合寫了一篇著名的論文，《能認為量子力學對物理實在的描述是完全的嗎？》（Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?），文中設計了一個思想實驗。

假設一個總自旋為零粒子衰變成兩個電子A和B，根據(jù)動量守恒，電子A和B向著相反的方向飛去，由于自旋守恒，這兩個電子的自旋方向必然相反，一個電子的自旋向上的話，另一個必然自旋向下。

當兩個電子相隔數(shù)光年之遠時，有一個物理學家測量了電子A的自旋，假如測量結果是“向上”，他瞬間就知道數(shù)光年外的電子B的自旋“向下”。物理學家對A的測量操作好像瞬間影響了遙遠的B的狀態(tài)。愛因斯坦稱其為“幽靈般的超距作用”——即一種無需時間無視距離的瞬時關聯(lián)。

愛因斯坦堅信任何超越光速的作用都是不可能的，他們稱這個思想實驗為EPR悖論。既然超距作用不存在，那么就意味著A、B粒子在分離時就攜帶了某種“隱藏的指令”（即隱變量），測量只是揭示預設狀態(tài)，而非瞬時影響。量子力學未能描述這些“隱變量”，所以是“不完備”的。

玻爾沒有否認這種“超距作用”，而是給出了另一種解釋，他認為，這種跨越空間的瞬時關聯(lián)（也就是非局域關聯(lián)）恰恰體現(xiàn)了量子系統(tǒng)內(nèi)在的整體性。在量子力學的整體論和互補性框架下，EPR悖論所揭示的超光速矛盾自然消解，因此，量子力學在其適用范圍內(nèi)是完備的。

這場EPR悖論之爭仍然沒有明確的贏家，它更像一場哲學觀念的碰撞，但極大地深化了人們對量子力學基礎的理解。

03

破局：貝爾不等式

轉機出現(xiàn)在1964年。

當時貝爾在歐洲核子中心工作，業(yè)余時間研究量子力學。他提出一種能夠用實驗檢驗量子非局域性的方法，讓一對糾纏的光子飛向相反方向，然后在不同方向上測量它們的偏振狀態(tài)，再將測量結果組合成一個數(shù)學表達式——這就是著名的貝爾不等式。

貝爾不等式為玻爾-愛因斯坦兩派之爭提供了檢驗判據(jù)：

如果貝爾不等式成立，表明局域實在論正確，隱變量存在，量子力學是不完備的，愛因斯坦正確。一開始，貝爾是站在愛因斯坦一方的，他也稱自己是愛因斯坦忠實的追隨者。

如果貝爾不等式不成立，表明局域實在論不成立，量子糾纏效應存在，量子力學是完備的，玻爾正確。

貝爾不等式將這場哲學辯論轉化為可以通過實驗裁決的科學問題。實驗物理學家終于可以從“旁觀者”轉變?yōu)椤皡⑴c者”，用實驗數(shù)據(jù)來做出終極裁決。

終于輪到實驗物理學家大顯身手了。

04

裁決：實驗驗證之刻

第一次貝爾實驗檢驗是 約翰·克勞澤（John F. Clauser） 在1972年做的。他建造了一套精巧的裝置，用激光照射特殊晶體上來產(chǎn)生糾纏光子對，實驗結果顯示貝爾不等式不成立，玻爾正確。但是這個實驗沒有實現(xiàn)對兩個粒子類空間隔的測量，存在局域性漏洞。

十年后，在1982年，阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）團隊改進了這個實驗，他們在光子離開信號源后的飛行中，快速隨機地切換測量方向，彌補了局域性漏洞，實驗結果依然是：貝爾不等式不成立。

1998年安東·塞林格（Anton?Zeilinger）團隊使用非線性晶體產(chǎn)生糾纏光子對，采用隨機數(shù)發(fā)生器來切換測量裝置，進一步關閉了局域性漏洞。通過檢驗貝爾不等式，塞林格等還發(fā)現(xiàn)，糾纏的量子態(tài)具有存儲、傳輸和處理信息的潛力，這為量子信息技術奠定了基礎。

貝爾實驗檢驗甚至從地面延伸到了太空，2016年，我國成功發(fā)射的世界首顆“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，在星地之間進行了雙向量子糾纏分發(fā)實驗，以4倍標準偏差再次違背了貝爾不等式。

2022年諾貝爾物理學獎授予阿斯佩、克勞澤和 塞林格 ，表彰他們各自利用糾纏量子態(tài)進行了開創(chuàng)性的實驗，為量子信息新技術奠定了基礎。

實驗科學家歷經(jīng)幾十年不斷重復并改進實驗手段，使實驗模型越來越接近愛因斯坦最初的EPR設想，大量的實驗結果證明：量子糾纏存在，量子力學是正確的。

至此，上世紀那場關于量子力學完備性的偉大論戰(zhàn)，終于從哲學思辨回歸物理實證——實驗，是真理的終極裁判。盡管愛因斯坦的觀點被證明是錯誤的，但他無疑是一位偉大的對手，他的每一次質疑都擊中理論的模糊地帶，推動了量子力學理論的完善與深化。