如何科學(xué)地吵架？這個(gè)問(wèn)題，他們的爭(zhēng)論影響了一個(gè)世紀(jì) | 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(kāi)始，一場(chǎng)量子物理的風(fēng)暴悄然醞釀。隨后短短一年時(shí)，新思想像火山爆發(fā)般涌現(xiàn)——矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)相繼問(wèn)世，量子力學(xué)的理論大廈巍然矗立。量子力學(xué)掌控著微觀世界，然而圍繞量子力學(xué)本質(zhì)的解釋卻讓物理學(xué)家們長(zhǎng)期爭(zhēng)論不休。

01

交鋒：索爾維1927

爭(zhēng)論以多種形式展開(kāi)：書信往來(lái)、論文交鋒，但都比不上面對(duì)面的思想碰撞來(lái)得痛快。1927年10月，物理學(xué)界的全明星陣容齊聚比利時(shí)布魯塞爾，參加第五屆索爾維會(huì)議。在這次會(huì)議上，29位與會(huì)者中有17人已是或?qū)⒊蔀橹Z貝爾獎(jiǎng)得主，唯一的女性，居里夫人得過(guò)兩次諾貝爾獎(jiǎng)。會(huì)議的合影也成為流傳很廣的科學(xué)明星合影。而真正讓這次會(huì)議載入史冊(cè)的，是愛(ài)因斯坦與玻爾之間那場(chǎng)影響深遠(yuǎn)的世紀(jì)辯論。

薛定諤的波動(dòng)方程因其簡(jiǎn)明易學(xué)，很受歡迎，人氣很高。方程的解——波函數(shù)描述的既不是機(jī)械波也不是電磁波，而是全新的“概率波”。電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典圖像被拋棄，取而代之的是如一團(tuán)云霧般的“電子云”，電子云亦非實(shí)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(dòng)圖（來(lái)源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/644110295）

當(dāng)物理學(xué)家繼續(xù)追問(wèn)“概率”的本質(zhì)時(shí)，分歧產(chǎn)生了，形成了兩大對(duì)立的陣營(yíng)。

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

愛(ài)因斯坦堅(jiān)信宇宙遵循決定論，量子力學(xué)的概率性是現(xiàn)有理論的不完備帶來(lái)的，也就是說(shuō)，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(fù)對(duì)微觀世界的確定性描述。

雙方的爭(zhēng)論最終被提煉為一個(gè)生動(dòng)的比喻——“上帝擲不擲骰子？”

這場(chǎng)爭(zhēng)論超越物理范疇，上升到哲學(xué)立場(chǎng)之爭(zhēng)。理論物理學(xué)家在唇槍舌劍，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家在一旁吃瓜。

02

僵持：薛定諤之貓是死是活？

1935年，愛(ài)因斯坦陣營(yíng)的薛定諤提出著名的“薛定諤貓”思想實(shí)驗(yàn)，來(lái)“揭示”哥本哈根學(xué)派所謂“疊加態(tài)”的荒謬性。實(shí)驗(yàn)設(shè)想將一只貓與一個(gè)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(huì)死亡；而一小時(shí)內(nèi)原子衰變的概率為50%。請(qǐng)問(wèn)：一小時(shí)后，貓咪是死是活？打開(kāi)箱子，貓的狀態(tài)很確定，要么死，要么活；不打開(kāi)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(rèn)為這很可笑。

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

愛(ài)因斯坦陣營(yíng)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(rèn)為量子力學(xué)對(duì)物理實(shí)在的描述是完全的嗎？》（Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?），文中設(shè)計(jì)了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。

假設(shè)一個(gè)總自旋為零粒子衰變成兩個(gè)電子A和B，根據(jù)動(dòng)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(gè)電子的自旋方向必然相反，一個(gè)電子的自旋向上的話，另一個(gè)必然自旋向下。

當(dāng)兩個(gè)電子相隔數(shù)光年之遠(yuǎn)時(shí)，有一個(gè)物理學(xué)家測(cè)量了電子A的自旋，假如測(cè)量結(jié)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(xué)家對(duì)A的測(cè)量操作好像瞬間影響了遙遠(yuǎn)的B的狀態(tài)。愛(ài)因斯坦稱其為“幽靈般的超距作用”——即一種無(wú)需時(shí)間無(wú)視距離的瞬時(shí)關(guān)聯(lián)。

愛(ài)因斯坦堅(jiān)信任何超越光速的作用都是不可能的，他們稱這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)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(shí)就攜帶了某種“隱藏的指令”（即隱變量），測(cè)量只是揭示預(yù)設(shè)狀態(tài)，而非瞬時(shí)影響。量子力學(xué)未能描述這些“隱變量”，所以是“不完備”的。

玻爾沒(méi)有否認(rèn)這種“超距作用”，而是給出了另一種解釋，他認(rèn)為，這種跨越空間的瞬時(shí)關(guān)聯(lián)（也就是非局域關(guān)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(xué)的整體論和互補(bǔ)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(xué)在其適用范圍內(nèi)是完備的。

這場(chǎng)EPR悖論之爭(zhēng)仍然沒(méi)有明確的贏家，它更像一場(chǎng)哲學(xué)觀念的碰撞，但極大地深化了人們對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)的理解。

03

破局：貝爾不等式

轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在1964年。

當(dāng)時(shí)貝爾在歐洲核子中心工作，業(yè)余時(shí)間研究量子力學(xué)。他提出一種能夠用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)量子非局域性的方法，讓一對(duì)糾纏的光子飛向相反方向，然后在不同方向上測(cè)量它們的偏振狀態(tài)，再將測(cè)量結(jié)果組合成一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式——這就是著名的貝爾不等式。

貝爾不等式為玻爾-愛(ài)因斯坦兩派之爭(zhēng)提供了檢驗(yàn)判據(jù)：

如果貝爾不等式成立，表明局域?qū)嵲谡撜_，隱變量存在，量子力學(xué)是不完備的，愛(ài)因斯坦正確。一開(kāi)始，貝爾是站在愛(ài)因斯坦一方的，他也稱自己是愛(ài)因斯坦忠實(shí)的追隨者。

如果貝爾不等式不成立，表明局域?qū)嵲谡摬怀闪ⅲ孔蛹m纏效應(yīng)存在，量子力學(xué)是完備的，玻爾正確。

貝爾不等式將這場(chǎng)哲學(xué)辯論轉(zhuǎn)化為可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)裁決的科學(xué)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家終于可以從“旁觀者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皡⑴c者”，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)做出終極裁決。

終于輪到實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家大顯身手了。

04

裁決：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之刻

第一次貝爾實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)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(lái)產(chǎn)生糾纏光子對(duì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示貝爾不等式不成立，玻爾正確。但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)粒子類空間隔的測(cè)量，存在局域性漏洞。

十年后，在1982年，阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們?cè)诠庾与x開(kāi)信號(hào)源后的飛行中，快速隨機(jī)地切換測(cè)量方向，彌補(bǔ)了局域性漏洞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果依然是：貝爾不等式不成立。

1998年安東·塞林格（Anton?Zeilinger）團(tuán)隊(duì)使用非線性晶體產(chǎn)生糾纏光子對(duì)，采用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來(lái)切換測(cè)量裝置，進(jìn)一步關(guān)閉了局域性漏洞。通過(guò)檢驗(yàn)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(chǔ)、傳輸和處理信息的潛力，這為量子信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

貝爾實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)甚至從地面延伸到了太空，2016年，我國(guó)成功發(fā)射的世界首顆“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在星地之間進(jìn)行了雙向量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)，以4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差再次違背了貝爾不等式。

2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)，為量子信息新技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)科學(xué)家歷經(jīng)幾十年不斷重復(fù)并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段，使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮絹?lái)越接近愛(ài)因斯坦最初的EPR設(shè)想，大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：量子糾纏存在，量子力學(xué)是正確的。

至此，上世紀(jì)那場(chǎng)關(guān)于量子力學(xué)完備性的偉大論戰(zhàn)，終于從哲學(xué)思辨回歸物理實(shí)證——實(shí)驗(yàn)，是真理的終極裁判。盡管愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)被證明是錯(cuò)誤的，但他無(wú)疑是一位偉大的對(duì)手，他的每一次質(zhì)疑都擊中理論的模糊地帶，推動(dòng)了量子力學(xué)理論的完善與深化。

文章轉(zhuǎn)載自“墨子沙龍”微信公眾號(hào)