愛因斯坦的出發(fā)點(diǎn)是“現(xiàn)實(shí)性”，而非“決定性”

【編者按】

如果說16至17世紀(jì)的第一次科學(xué)革命時(shí)期是群星璀璨的物理學(xué)黃金時(shí)代，從19世紀(jì)中后期到20世紀(jì)就是量子物理學(xué)的巨人們帶給世界全新沖擊的新時(shí)代。1927年10月，第五次索爾維會議在布魯塞爾召開，討論有關(guān)新量子力學(xué)的問題。受邀參會的29人中，最終有17人獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。阿爾伯特·愛因斯坦、尼爾斯·玻爾、埃爾溫·薛定諤、沃爾夫?qū)づ堇?、馬克斯·普朗克、馬克斯·玻恩、沃納·海森堡、瑪麗·居里……《量子傳》是一本歷述量子物理學(xué)發(fā)展的科學(xué)史話，作者試圖闡釋為什么玻爾說“任何不為量子理論撼動(dòng)的人都還沒有理解它”，為什么愛因斯坦在提到量子時(shí)會激動(dòng)地說這對于他來說是惡魔，他甚至承認(rèn)自己“對量子理論的思考百倍于對相對論的思考”。本文摘自該書《量子惡魔》一章。

“我思考量子問題的時(shí)間百倍于思考廣義相對論的時(shí)間。”愛因斯坦曾經(jīng)承認(rèn)。玻爾在嘗試?yán)斫饬孔恿W(xué)對原子世界的闡述時(shí)放棄了客觀現(xiàn)實(shí)的存在。在愛因斯坦看來，這一點(diǎn)就確定無疑地表明了，這個(gè)理論至多只是反映了部分事實(shí)。玻爾堅(jiān)持認(rèn)為，在實(shí)驗(yàn)（測量行為）結(jié)果之外，不存在任何量子實(shí)在。“這個(gè)觀點(diǎn)在邏輯上的確可能，不存在矛盾，”愛因斯坦妥協(xié)說，“但這嚴(yán)重違背了我的科學(xué)直覺，所以我不會放棄對更完備概念的追尋?！?他仍舊“相信可能得到一種能夠表征事件本身，而不只是事件發(fā)生概率的現(xiàn)實(shí)模型”。然而，愛因斯坦到最后都沒能駁倒玻爾的哥本哈根詮釋。“談起相對論，他超然物外；談起量子理論，他充滿熱情，”在普林斯頓結(jié)識愛因斯坦的亞伯拉罕·佩斯回憶說，“量子就是他的惡魔?！?/p>

“我認(rèn)為，稱沒有人理解量子力學(xué)，應(yīng)該是一種穩(wěn)妥的說法?！?/p>

愛因斯坦去世10年后的1965年，諾貝爾獎(jiǎng)得主、美國著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼如是說。隨著哥本哈根詮釋作為正統(tǒng)量子理論的地位越發(fā)牢固，一如羅馬頒布的教令，大多數(shù)物理學(xué)家都贊成費(fèi)曼的觀點(diǎn)?！叭绻梢员苊?，就不要一直問自己‘怎么會是這樣？’”費(fèi)曼警告說，“沒人知道為什么會是這樣?！睈垡蛩固箯牟挥X得事實(shí)會是這樣，但如果他看到了貝爾定理以及否定了定域性現(xiàn)實(shí)的那些實(shí)驗(yàn)，又會怎么想？

愛因斯坦物理學(xué)的核心是他這個(gè)堅(jiān)定不移的信念：現(xiàn)實(shí)獨(dú)立于觀測存在，現(xiàn)實(shí)“就在那兒”。“月亮是否只有在你看它的時(shí)候才存在？”為了突出拋棄客觀現(xiàn)實(shí)的荒謬，他這樣問亞伯拉罕·佩斯。愛因斯坦設(shè)想的現(xiàn)實(shí)符合定域性，而且受到因果律的限制，而發(fā)現(xiàn)這種因果律正是物理學(xué)家的職責(zé)所在。“如果拋棄這個(gè)假設(shè)：宇宙各處的事物都是獨(dú)立、真實(shí)的存在，”愛因斯坦在1948年對馬克斯·玻恩說，“那么，我完全看不到物理學(xué)要描述的到底是什么。”愛因斯坦信奉現(xiàn)實(shí)主義、因果律和定域性。如果一定要他犧牲其中一個(gè)，那么他會怎么抉擇呢？

“上帝不會擲骰子?！睈垡蛩固菇?jīng)常這么說，而且這句話確實(shí)令人印象深刻。和今天的所有廣告文案撰稿人一樣，愛因斯坦知道一句令人難忘的廣告語有多么重要。不過，這只是他譴責(zé)哥本哈根詮釋的時(shí)髦之語，并不是他科學(xué)觀的基石。即便是像玻恩這樣與他相識近半個(gè)世紀(jì)的人都未必總是清楚這一點(diǎn)，最終是泡利向玻恩解釋了愛因斯坦反駁量子力學(xué)的真正核心所在。

1954年，泡利在普林斯頓待了兩個(gè)月，愛因斯坦給了他一份玻恩撰寫的涉及決定論的論文草稿。泡利讀完后，寫信告訴前任老板玻爾，“愛因斯坦并不認(rèn)為‘決定論’的概念像大家通常認(rèn)為的那樣基本。”這也是多年以來，愛因斯坦向他“強(qiáng)調(diào)過許多次”的東西?！皭垡蛩固沟某霭l(fā)點(diǎn)是‘現(xiàn)實(shí)性’，而非‘決定性’，”泡利解釋說，“這意味著，他的哲學(xué)觀念與眾不同。”泡利筆下的“現(xiàn)實(shí)性”是說，愛因斯坦假設(shè)像電子這樣的粒子，在接受測量之前本來就有相關(guān)屬性。泡利指責(zé)玻恩“先是自己樹立了并不真實(shí)的愛因斯坦形象，然后又大張旗鼓地把他打倒了”。令人意外的是，與愛因斯坦交好這么久的玻恩，竟然從來沒有全面地認(rèn)識到，真正讓愛因斯坦煩惱的并不是擲不擲骰子，而是哥本哈根詮釋“放棄了現(xiàn)實(shí)獨(dú)立于觀測存在的立場”。

可能令玻恩產(chǎn)生誤解的一個(gè)原因是，愛因斯坦第一次說出上帝“不會擲骰子”這句話是在1926年12月，當(dāng)時(shí)他想向玻恩表達(dá)的是，自己對量子力學(xué)中概率性和偶然性的地位以及這個(gè)理論否定了因果律和決定論感到不安。不過，泡利認(rèn)識到，愛因斯坦之所以如此強(qiáng)烈地反對量子力學(xué)，遠(yuǎn)不只是因?yàn)檫@個(gè)理論以概率性語言呈現(xiàn)?！霸谖铱磥?，尤為重要的是，把決定論概念引入同愛因斯坦的爭論之中，絕對是一個(gè)錯(cuò)誤的方向?！迸堇娌６髡f。

1950年，愛因斯坦在論及量子力學(xué)時(shí)寫道：“問題的核心與因果性的關(guān)系并不大，真正關(guān)鍵的是現(xiàn)實(shí)主義問題?！倍嗄暌詠?， 他一直期望“在不放棄現(xiàn)實(shí)主義圖景的前提下，解決量子之謎”。在這位發(fā)現(xiàn)了相對論的物理學(xué)家看來，現(xiàn)實(shí)必須符合定域性，沒有任何留給超光速物理作用的空間。貝爾不等式不成立意味著，如果愛因斯坦想要量子世界獨(dú)立于觀測者存在，他就必須放棄定域性。

貝爾定理并不能確定量子力學(xué)是否完備，它只能讓我們在量子力學(xué)與所有定域性隱變量理論之間做出合理取舍。如果量子力學(xué)正確（愛因斯坦認(rèn)為這個(gè)理論的確正確，畢竟它通過了那個(gè)時(shí)代所有的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)），那么貝爾定理意味著任何能夠復(fù)制量子力學(xué)成果的隱變量理論都必須是非定域性的。如果玻爾活到了看到阿蘭·阿斯佩實(shí)驗(yàn)結(jié)果的那一天，那么他必然會和其他人一樣認(rèn)為這個(gè)結(jié)果支持哥本哈根詮釋。愛因斯坦也很有可能會接受貝爾不等式檢驗(yàn)結(jié)果的有效性，不會嘗試通過這些實(shí)驗(yàn)仍未填補(bǔ)的某一漏洞拯救定域性現(xiàn)實(shí)。不過，愛因斯坦可能會接受另一條出路，哪怕有些人認(rèn)為這條路違背了相對論內(nèi)核，那就是無信號定理。

已經(jīng)確定，不可能利用非定域性和量子糾纏瞬時(shí)將有用信息從某個(gè)地點(diǎn)傳遞到另一個(gè)地點(diǎn)，因?yàn)閷m纏粒子對中任一成員的任何測量都會產(chǎn)生完全隨機(jī)的結(jié)果。在這樣一種測量操作之后，實(shí)驗(yàn)人員能掌握的，只是同行在遠(yuǎn)處測量另一個(gè)粒子所得結(jié)果的概率?，F(xiàn)實(shí)或許是非定域性的——允許物理作用以超光速在相距甚遠(yuǎn)的兩個(gè)糾纏粒子之間傳播，但這種非定域性是溫和的，“幽靈般的超距作用”或許存在，但“幽靈般的超距信息傳遞”絕不可能。

阿斯佩等檢驗(yàn)貝爾不等式的團(tuán)隊(duì)排除了定域性與客觀現(xiàn)實(shí)兩者之一，但并未否定非定域性現(xiàn)實(shí)。2006年，成員來自奧地利維也納大學(xué)和波蘭格但斯克大學(xué)的一個(gè)研究小組率先檢驗(yàn)了非定域性和現(xiàn)實(shí)主義。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的靈感來自英國物理學(xué)家安東尼·萊格特爵士的工作。1973年，當(dāng)時(shí)還未受封的萊格特產(chǎn)生了一個(gè)修改貝爾定理的想法，具體方式是假設(shè)糾纏粒子對之間有瞬時(shí)作用傳遞。

2003年，也就是萊格特憑借液氦量子特性方面的工作獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的那一年，他發(fā)表了一個(gè)將非定域性隱變量理論同量子力學(xué)對立起來的新不等式。

這個(gè)奧地利–波蘭研究小組的領(lǐng)導(dǎo)者是馬庫斯·阿斯佩爾梅耶和安東·蔡林格。他們測量了此前未經(jīng)檢測的糾纏光子對相關(guān)性，并且發(fā)現(xiàn)結(jié)果正如量子力學(xué)預(yù)測的那樣，違背了萊格特不等式。

2007年4月，這一研究結(jié)果發(fā)表在《自然》期刊上后，阿蘭·阿斯佩指出：“一個(gè)人總結(jié)出的（哲學(xué)）結(jié)論，與其說是邏輯問題，不如說是品味問題?！比R格特不等式不成立，只是意味著現(xiàn)實(shí)主義與某種特定的非定域性不相容，它并沒有排除所有可能的非定域模型。

愛因斯坦從未提出過隱變量理論，不過，他似乎在1935年EPR論文的結(jié)尾含蓄地提倡了隱變量方法：“雖然我們由此證明了波函數(shù)并未完備描述物理實(shí)在，但我們對這樣一種完備描述的存在持開放態(tài)度。無論如何，我們認(rèn)為這樣一種理論可能存在?！焙髞恚?949年許多同行為紀(jì)念愛因斯坦的70歲生日而撰寫了論文，作為對他們的回復(fù)，愛因斯坦寫道：“實(shí)際上，我無比肯定，當(dāng)代量子理論的統(tǒng)計(jì)學(xué)本質(zhì)只能歸因于該理論對物理系統(tǒng)的非完備描述。”

《量子傳》，曼吉特·庫馬爾 (Manjit Kumar)著，王喬琦譯，中信出版集團(tuán)·鸚鵡螺2022年3月。