愛因斯坦的出發(fā)點是“現(xiàn)實性”，而非“決定性”

【編者按】

如果說16至17世紀的第一次科學革命時期是群星璀璨的物理學黃金時代，從19世紀中后期到20世紀就是量子物理學的巨人們帶給世界全新沖擊的新時代。1927年10月，第五次索爾維會議在布魯塞爾召開，討論有關新量子力學的問題。受邀參會的29人中，最終有17人獲得了諾貝爾獎。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發(fā)展的科學史話，作者試圖闡釋為什么玻爾說“任何不為量子理論撼動的人都還沒有理解它”，為什么愛因斯坦在提到量子時會激動地說這對于他來說是惡魔，他甚至承認自己“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間百倍于思考廣義相對論的時間?！睈垡蛩固乖?jīng)承認。玻爾在嘗試理解量子力學對原子世界的闡述時放棄了客觀現(xiàn)實的存在。在愛因斯坦看來，這一點就確定無疑地表明了，這個理論至多只是反映了部分事實。玻爾堅持認為，在實驗（測量行為）結(jié)果之外，不存在任何量子實在。“這個觀點在邏輯上的確可能，不存在矛盾，”愛因斯坦妥協(xié)說，“但這嚴重違背了我的科學直覺，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?！罢勂鹣鄬φ?，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。”

“我認為，稱沒有人理解量子力學，應該是一種穩(wěn)妥的說法?！?/p>

愛因斯坦去世10年后的1965年，諾貝爾獎得主、美國著名物理學家理查德·費曼如是說。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)物理學家都贊成費曼的觀點?！叭绻梢员苊?，就不要一直問自己‘怎么會是這樣？’”費曼警告說，“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)實的那些實驗，又會怎么想？

愛因斯坦物理學的核心是他這個堅定不移的信念：現(xiàn)實獨立于觀測存在，現(xiàn)實“就在那兒”?！霸铝潦欠裰挥性谀憧此臅r候才存在？”為了突出拋棄客觀現(xiàn)實的荒謬，他這樣問亞伯拉罕·佩斯。愛因斯坦設想的現(xiàn)實符合定域性，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家的職責所在?！叭绻麙仐夁@個假設：宇宙各處的事物都是獨立、真實的存在，”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要描述的到底是什么?！睈垡蛩固剐欧瞵F(xiàn)實主義、因果律和定域性。如果一定要他犧牲其中一個，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，這只是他譴責哥本哈根詮釋的時髦之語，并不是他科學觀的基石。即便是像玻恩這樣與他相識近半個世紀的人都未必總是清楚這一點，最終是泡利向玻恩解釋了愛因斯坦反駁量子力學的真正核心所在。

1954年，泡利在普林斯頓待了兩個月，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，“愛因斯坦并不認為‘決定論’的概念像大家通常認為的那樣基本?！边@也是多年以來，愛因斯坦向他“強調(diào)過許多次”的東西?！皭垡蛩固沟某霭l(fā)點是‘現(xiàn)實性’，而非‘決定性’，”泡利解釋說，“這意味著，他的哲學觀念與眾不同?！迸堇P下的“現(xiàn)實性”是說，愛因斯坦假設像電子這樣的粒子，在接受測量之前本來就有相關屬性。泡利指責玻恩“先是自己樹立了并不真實的愛因斯坦形象，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)實獨立于觀測存在的立場”。

可能令玻恩產(chǎn)生誤解的一個原因是，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，當時他想向玻恩表達的是，自己對量子力學中概率性和偶然性的地位以及這個理論否定了因果律和決定論感到不安。不過，泡利認識到，愛因斯坦之所以如此強烈地反對量子力學，遠不只是因為這個理論以概率性語言呈現(xiàn)。“在我看來，尤為重要的是，把決定論概念引入同愛因斯坦的爭論之中，絕對是一個錯誤的方向?！迸堇娌６髡f。

1950年，愛因斯坦在論及量子力學時寫道：“問題的核心與因果性的關系并不大，真正關鍵的是現(xiàn)實主義問題。”多年以來， 他一直期望“在不放棄現(xiàn)實主義圖景的前提下，解決量子之謎”。在這位發(fā)現(xiàn)了相對論的物理學家看來，現(xiàn)實必須符合定域性，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是否完備，它只能讓我們在量子力學與所有定域性隱變量理論之間做出合理取舍。如果量子力學正確（愛因斯坦認為這個理論的確正確，畢竟它通過了那個時代所有的實驗檢驗），那么貝爾定理意味著任何能夠復制量子力學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·阿斯佩實驗結(jié)果的那一天，那么他必然會和其他人一樣認為這個結(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結(jié)果的有效性，不會嘗試通過這些實驗仍未填補的某一漏洞拯救定域性現(xiàn)實。不過，愛因斯坦可能會接受另一條出路，哪怕有些人認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將有用信息從某個地點傳遞到另一個地點，因為對糾纏粒子對中任一成員的任何測量都會產(chǎn)生完全隨機的結(jié)果。在這樣一種測量操作之后，實驗人員能掌握的，只是同行在遠處測量另一個粒子所得結(jié)果的概率?，F(xiàn)實或許是非定域性的——允許物理作用以超光速在相距甚遠的兩個糾纏粒子之間傳播，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。

阿斯佩等檢驗貝爾不等式的團隊排除了定域性與客觀現(xiàn)實兩者之一，但并未否定非定域性現(xiàn)實。2006年，成員來自奧地利維也納大學和波蘭格但斯克大學的一個研究小組率先檢驗了非定域性和現(xiàn)實主義。這個實驗的靈感來自英國物理學家安東尼·萊格特爵士的工作。1973年，當時還未受封的萊格特產(chǎn)生了一個修改貝爾定理的想法，具體方式是假設糾纏粒子對之間有瞬時作用傳遞。

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獎的那一年，他發(fā)表了一個將非定域性隱變量理論同量子力學對立起來的新不等式。

這個奧地利–波蘭研究小組的領導者是馬庫斯·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性，并且發(fā)現(xiàn)結(jié)果正如量子力學預測的那樣，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：“一個人總結(jié)出的（哲學）結(jié)論，與其說是邏輯問題，不如說是品味問題。”萊格特不等式不成立，只是意味著現(xiàn)實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，我們認為這樣一種理論可能存在。”后來，1949年許多同行為紀念愛因斯坦的70歲生日而撰寫了論文，作為對他們的回復，愛因斯坦寫道：“實際上，我無比肯定，當代量子理論的統(tǒng)計學本質(zhì)只能歸因于該理論對物理系統(tǒng)的非完備描述?！?/p>

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