愛因斯坦真的反對量子力學嗎？他在索爾維竟有“兩副面孔”

1927年10月，布魯塞爾。29位物理學家坐在一起拍下了一張照片，在場的人中有17位獲得了或將要獲得諾貝爾獎。這張照片后來被叫作“人類歷史上最聰明的合影”。但比這張照片更出名的，是關于它的一個故事。

故事是這樣講的：在這場第五屆索爾維會議上，愛因斯坦和玻爾爆發了世紀大辯論。愛因斯坦不接受量子力學的概率解釋，說出了上帝不擲骰子；玻爾則回擊：別去指揮上帝該怎么做。他們就像回合制游戲一樣：愛因斯坦不斷提出思想實驗挑戰量子理論，而玻爾則不斷嘗試回應這些挑戰。到了1930年第六屆會議，玻爾甚至用愛因斯坦自己的相對論反殺了他的光子盒實驗。量子力學勝利，愛因斯坦失敗。

▲1927年索爾維會議，這場會議某種意義上只有三個量子力學的反對派：74歲的洛倫茲、69歲的普朗克，48歲的愛因斯坦。后排站著的，多為物理學的新生代

這個故事一度演變為20世紀物理學史上難解憾事。愛因斯坦，20世紀最偉大的物理學家，終生都無法接納量子力學。但是可不要忘了，愛因斯坦是量子物理的奠基人之一，他花了多年時間來宣揚量子的重要性及其革命性。所以有沒有一種可能：這個故事的核心，可能錯了？不是細節錯了，而是敘事的出發點錯了。愛因斯坦不是那個打不過就跑的保守派老家伙，玻爾也不是大獲全勝的革命領袖。

帶著這個疑問再去審視這段歷史，我們會發現，歷史比我們想象的更復雜，也更迷人。

暴風雨前夜

1927年的春天，量子力學正在經歷一場痛苦的難產，而產房里的人先打起來了。當玻爾在外面滑雪度假的時候，海森堡在夜色中散步時頓悟了“不確定性原理”。但當玻爾回來審視這項工作時，他并不同意海森堡的推導方式，還發現了論文中的實驗分析錯誤。問題是，海森堡已經把論文寄給了泡利和愛因斯坦。兩人因此爆發了激烈爭論，海森堡一度淚流滿面，甚至用尖銳的言辭傷害了玻爾。

到了這年秋天，玻爾也逐漸接受了海森堡的解釋，主要是他發現自己試了各種方法都無法否定。這反而讓問題變得更嚴重。因為接下來，他們將要面對的，是愛因斯坦。

▲1932年，玻爾與海森堡在滑雪度假（Niels Bohr Archive）

玻爾和海森堡花了整整兩個月進行緊鑼密鼓的準備。他們不斷重復檢驗，請學生和同事提出最尖刻的問題，還請泡利來攻擊他們最薄弱的地方。但是玻爾還是無法接受這么一個怪誕的世界，這就像是一個魔術師和一個賭場設計師設計的作品。遇事不決，先去滑個雪吧。玻爾又去挪威滑雪了。從挪威回來后，玻爾有了一個新的想法。他急忙跳兩個臺階地跑上研究所的樓梯，想與海森堡盡早分享他的成果。這就是后來被稱為“互補原理”的核心思想：得知一個粒子位置的情形與得知其速度的情形是互補的。我們需要分別精確測出位置和速度，然后把這兩個值綜合到一起，才可能得知更多的知識。

▲量子力學圣地，玻爾當年的研究所，僅僅是一棟紅色的小樓。海森堡與玻爾的房間面對面，但是吵架的兩人都避免看見對方（inspired pencil）

同一時期的愛因斯坦也比較煩，主要是來拜訪的人太多了，愛因斯坦不得不設了好幾道防線來獨享清閑。

他的主要精力在于統一場論，作為量子物理的奠基人之一，他并不否認哥本哈根學派在數學計算上的成功，而且還在密切地關注著新物理學的“暴風雨式的進展”，并且間接地鼓勵和促進著德布羅意和薛定諤的研究工作。但他從骨子里排斥量子力學這種放棄了“因果律”和“客觀實在”的概率解釋，在他看來，一個只提供統計概率、不描述客觀現實本身的理論，也許抓住了某些深刻的真理，但還遠遠談不上完備。

自己的統一場論，將證明因果性和獨立于觀察者的現實性存在。如果這個理論成立，那么量子力學這種基于統計的理論就將是一個暫時的理論。完備，而非正確。這個區別，是理解后來一切爭論的鑰匙。

華山論劍？也可能是答非所問

第五屆索爾維會議前兩天氛圍比較輕松，雖然得布羅意和波恩之間擦出了一些火花，但是愛因斯坦保持了沉默。轉折點發生在第三天，海森堡與波恩發布了一份聯合報告，在報告的最后，他們激動地說道：“我們認為量子力學是一個完整的理論，不需要再對它的基本物理和數學假設進行任何修改。”這種說法意思是將來無論出現什么進展，都不會改變這個理論的深刻進展。這種宣言在物理學史上從來不是什么好兆頭。而對愛因斯坦來說，一個尚未真正描繪出客觀現實的理論竟敢自稱完備，這未免也太早了。

▲前索爾維生理學研究所，1927年第五屆索爾維會議的舉辦地，現為émile Jacqmain中學，那張著名的照片正是在此拍攝

所以當海森堡與波恩宣告理論大廈建成的時候，保羅·埃倫費斯特（Paul Ehrenfest）發現愛因斯坦一直在笑。他馬上寫紙條給愛因斯坦：“別笑！要是量子力學是對的，你以后在地下得天天補課。”愛因斯坦說：“我只是笑他們幼稚。”一個沒有真正描繪出客觀現實的理論，竟然敢稱完備，那的確是有些可笑的。

不過對玻爾來說，這個感覺就不太好了。在整個大會討論期間，愛因斯坦都沒怎么發表意見。笑意與沉默，似乎成了暴風雨前最可怕的寧靜。因此，當愛因斯坦在私下聊天時拋出一個又一個思想實驗時，玻爾覺得自己成功防守了一次又一次：這些可能性我都想過了，我已經找不到問題了，老兄你就投了吧。在當時與會者心中，玻爾已經成功的說明了他所代表的哥本哈根學派觀點的一致性，愛因斯坦也并沒有找到他們解釋的問題，但是也沒有被說服。

▲1925年，玻爾和愛因斯坦在埃倫費斯特的家中（Entangled quantum histories）

兩個人對決的高潮發生在1930年的第六屆會議。愛因斯坦在黑板上畫了一個精巧的“光子盒”，這個盒子帶有精密時鐘和快門，似乎可以同時精確測量光子的能量和飛出時間。如果成立，不確定性原理就被打破了。親歷者羅森菲爾德（Léon Rosenfeld）回憶了那個夜晚的名場面：

那對玻爾是個真正的打擊……整個晚上他極度不安，不斷地在科學家之間來回奔走，試圖說服他們這不可能是對的，如果愛因斯坦是正確的，物理學就完了。我永遠不會忘記兩人離開俱樂部時的畫面：愛因斯坦，高大挺拔的身影，沉著地走著，帶著淡淡的諷刺微笑；玻爾則在他身邊小跑著，滿臉激動。第二天早晨，迎來的是玻爾的凱旋。

▲路邊社報道：愛因斯坦走出會場，面帶笑容，像想要逃走一樣。玻爾張著嘴，急急忙忙地想跟上他。他的身子向愛因斯坦那邊傾斜著，絕望地想讓愛因斯坦聽到他說的話。盡管玻爾的大衣搭在左臂上，他還是用左手的食指做著手勢，他在強調正努力表達的觀念。愛因斯坦的手放在身體側面，一只手抓著手提箱，一只手夾著一根可能代表勝利的雪茄。他在聽玻爾說話的時候，小胡子沒能藏住他的微笑。旁觀者羅森菲德說：玻爾那天晚上像“一只剛被暴打了的狗”。（路人埃倫費斯特提供照片）

第二天，徹夜未眠的玻爾帶著他的反擊登場。稱量盒子需要把它懸掛在引力場中的彈簧秤上；為了讀出質量變化，必須讓盒子回到原來的位置，這就引入了位置的不確定性；而根據廣義相對論的引力紅移效應，盒子在引力場中的位移會導致內部時鐘走速的改變，從而引入時間的不確定性。經過一番推導，玻爾證明了不確定性原理毫發無損。用一個人自己創造的理論來擊敗他的論證，這是物理學史上最漂亮的反擊之一。

但是，玻爾很可能贏了一場愛因斯坦根本沒想參與的戰斗。會議結束八個月后，埃倫費斯特在柏林拜訪了愛因斯坦，隨后給玻爾寫了一封信：“他（愛因斯坦）對我說，他很久以來就完全不再懷疑不確定性關系了，因此他絕不是為了‘反對不確定性關系’才設計了那個‘可稱量的光子盒’，而是為了一個完全不同的目的。”

▲1920年，愛因斯坦在埃倫費斯特的家中，腿上坐著的是埃倫費斯特的兒子（萊頓大學）

那愛因斯坦的目的是什么呢？回想光子盒的設計：盒子里的光子飛出后，我們可以在任意時刻稱量盒子來確定光子的能量。而這個光子，可能已經飛到了很遠的地方。也就是說，我們對盒子的操作，似乎在瞬間“決定”了遠處光子的某個物理量。或者說，對一個粒子的測量，怎么可能瞬間影響另一個遙遠粒子的狀態？

這正是愛因斯坦所說的“鬼魅般的超距作用”。如果量子力學的描述意味著這種超距作用真實存在，那么它就與相對論的定域性原則相矛盾：光速是宇宙中信息傳遞的絕對上限，沒有任何影響可以瞬間從一個地方傳到另一個地方。對愛因斯坦來說，這并不是一個可以接受的解釋，而恰恰是量子力學不完備的證據。它一定遺漏了什么。

這個追問，五年后在1935年的EPR論文中被正式提出，成為了量子力學基礎研究中最深刻的問題之一。愛因斯坦等人的論證指向一個尖銳結論：如果世界遵守局域性，那么量子力學就一定是不完備的，也就是說，在理論背后，還應該存在更深層的描述。

輸贏不重要，重要的是問題本身

雖然無論從當時還是后來的眼光看，愛因斯坦確實站在了當時量子力學主流的對立面。但實際上，愛因斯坦對量子力學的態度，從來不是簡單的“反對”。

1929年，在接受普朗克獎章時，愛因斯坦說道：“我無比地欽佩年輕一代的物理學家所取得的成就，這些物理學家的名字將與量子力學永遠聯系在一起，并且他們相信那個理論反映了深層次的事實。”1931年，他再次推薦海森堡與薛定諤獲得諾貝爾獎，在推薦信中他這么寫到：“在我看來，這個理論毫無疑問包含了某些最高真理。”但是在他的心里，量子力學不是那么完善，也沒有達到玻爾等人認為的“圓滿”的地步。

在他在世的年代，這種堅持讓他付出了代價。奧本海默說他是“普林斯頓的一個十足的瘋子”。年輕一代的物理學家被反復告知：愛因斯坦老了，他對量子問題的意見不能相信。玻爾則感慨老朋友曾是“征服量子現象這片荒野的先鋒”，卻對量子力學保持疏遠和懷疑，這是一個悲劇。

▲1930年第六屆索爾維會議，雖然這張照片并不出名，但其中仍有13位當時以及未來的諾獎得主。朗之萬坐在前排中間，左邊是瑪麗·居里，右邊是愛因斯坦前排，右二是玻爾。海森堡（右一）泡利（右五）站在玻爾身后

故事其實還沒有結束。1964年，約翰·貝爾（John Stewart Bell）正是在愛因斯坦的啟發下，提出了著名的“貝爾不等式”。他把兩位宗師關于世界本質的哲學爭論，變成了一個可以用儀器檢驗的物理問題。但是當大家用越來越精密的儀器去測試貝爾不等式時，發現量子世界中確實存在類似“超距關聯”的現象，而這種關聯無法用經典的局域性直覺來解釋。但這并不是愛因斯坦的徹底失敗，因為正是沿著他指出的這條名叫“糾纏”的幽暗小徑，人類竟然一路走到了量子密碼和量子計算。

時至今日，這場爭論真的結束了嗎？并沒有。盡管量子力學在應用上取得了空前的成功，但當被問到量子世界在哪結束、經典世界在哪開始時，大家仍然會露出遲疑。諾獎得主霍夫特（Gerard 't Hooft）依然在尋找一個“不那么反直覺的深層理論”；而量子糾纏實驗的先驅尼古拉·吉辛(Nicolas Gisin)也覺得量子理論 “依然是不完整的”。他們和愛因斯坦一樣，都在追問那個根本問題：這一切到底意味著什么？

尾聲：上帝與骰子

1927年第五屆索爾維會議期間的一個晚上，海森堡、泡利以及狄拉克等人聚集在旅館休息廳后面，他們討論的內容當然說愛因斯坦發言。其中有一個人說：很難想象愛因斯坦這樣的科學家會同宗教傳統有密切的關系。另外一個人補刀：愛因斯坦甚至不如普朗克，普朗克也只是認為宗教和科學是共存的。

但是當年早些時候，當別人問及愛因斯坦的宗教觀時，他這樣回答到：當我們用有限的方法試著探索大自然的奧秘時，你會發現在所有可以認識的關聯事物背后，有些非常微妙、難以明白和不可解釋。對這種超越一切力量的崇敬，可以把它視為我的宗教。

所以說，愛因斯坦不是真正的在講上帝，也不是真的在反對量子力學。

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來源：墨子沙龍

編輯：zzz

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