如何科学地吵架？这个问题，他们的争论影响了一个世纪 | 量子百年5

从1925年6月海森堡前往北海黑尔戈兰岛休假开始，一场量子物理的风暴悄然酝酿。随后短短一年时，新思想像火山爆发般涌现——矩阵力学和波动力学相继问世，量子力学的理论大厦巍然矗立。量子力学掌控着微观世界，然而围绕量子力学本质的解释却让物理学家们长期争论不休。

01

交锋：索尔维1927

争论以多种形式展开：书信往来、论文交锋，但都比不上面对面的思想碰撞来得痛快。1927年10月，物理学界的全明星阵容齐聚比利时布鲁塞尔，参加第五届索尔维会议。在这次会议上，29位与会者中有17人已是或将成为诺贝尔奖得主，唯一的女性，居里夫人得过两次诺贝尔奖。会议的合影也成为流传很广的科学明星合影。而真正让这次会议载入史册的，是爱因斯坦与玻尔之间那场影响深远的世纪辩论。

薛定谔的波动方程因其简明易学，很受欢迎，人气很高。方程的解——波函数描述的既不是机械波也不是电磁波，而是全新的“概率波”。电子围绕原子核运动的经典图像被抛弃，取而代之的是如一团云雾般的“电子云”，电子云亦非实体，它是核外电子在空间的概率分布的直观呈现，密度大的地方表明此处电子出现的概率也大。

▲电子云动图（来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/644110295）

当物理学家继续追问“概率”的本质时，分歧产生了，形成了两大对立的阵营。

以玻尔为代表的哥本哈根学派认为，量子力学的概率性是内在的、根本的。我们只能计算出电子出现在某个位置的概率，而不是确定的预言。电子在被测量之前，处于一种所有可能性的“叠加态”。

爱因斯坦坚信宇宙遵循决定论，量子力学的概率性是现有理论的不完备带来的，也就是说，存在一些我们尚未知道的“隐变量”，一旦掌握这些变量，就能恢复对微观世界的确定性描述。

双方的争论最终被提炼为一个生动的比喻——“上帝掷不掷骰子？”

这场争论超越物理范畴，上升到哲学立场之争。理论物理学家在唇枪舌剑，实验物理学家在一旁吃瓜。

02

僵持：薛定谔之猫是死是活？

1935年，爱因斯坦阵营的薛定谔提出著名的“薛定谔猫”思想实验，来“揭示”哥本哈根学派所谓“叠加态”的荒谬性。实验设想将一只猫与一个由放射性原子控制的毒气装置同置于密闭箱中。若原子发生衰变，毒气释放，猫便会死亡；而一小时内原子衰变的概率为50%。请问：一小时后，猫咪是死是活？打开箱子，猫的状态很确定，要么死，要么活；不打开箱子，猫就处于生和死的量子叠加态。

一只既活着又死了的猫，薛定谔认为这很可笑。

玻尔等人用互补性原理等做出回应，但无法让薛定谔心服口服，实验物理学家继续吃瓜。薛定谔不仅嘲讽道：“我们不可能用单个电子或单个原子做实验……如果可能的话，后果将非常可笑……”

爱因斯坦阵营继续出招。他和波多尔斯基、罗森三人合写了一篇著名的论文，《能认为量子力学对物理实在的描述是完全的吗？》（Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?），文中设计了一个思想实验。

假设一个总自旋为零粒子衰变成两个电子A和B，根据动量守恒，电子A和B向着相反的方向飞去，由于自旋守恒，这两个电子的自旋方向必然相反，一个电子的自旋向上的话，另一个必然自旋向下。

当两个电子相隔数光年之远时，有一个物理学家测量了电子A的自旋，假如测量结果是“向上”，他瞬间就知道数光年外的电子B的自旋“向下”。物理学家对A的测量操作好像瞬间影响了遥远的B的状态。爱因斯坦称其为“幽灵般的超距作用”——即一种无需时间无视距离的瞬时关联。

爱因斯坦坚信任何超越光速的作用都是不可能的，他们称这个思想实验为EPR悖论。既然超距作用不存在，那么就意味着A、B粒子在分离时就携带了某种“隐藏的指令”（即隐变量），测量只是揭示预设状态，而非瞬时影响。量子力学未能描述这些“隐变量”，所以是“不完备”的。

玻尔没有否认这种“超距作用”，而是给出了另一种解释，他认为，这种跨越空间的瞬时关联（也就是非局域关联）恰恰体现了量子系统内在的整体性。在量子力学的整体论和互补性框架下，EPR悖论所揭示的超光速矛盾自然消解，因此，量子力学在其适用范围内是完备的。

这场EPR悖论之争仍然没有明确的赢家，它更像一场哲学观念的碰撞，但极大地深化了人们对量子力学基础的理解。

03

破局：贝尔不等式

转机出现在1964年。

当时贝尔在欧洲核子中心工作，业余时间研究量子力学。他提出一种能够用实验检验量子非局域性的方法，让一对纠缠的光子飞向相反方向，然后在不同方向上测量它们的偏振状态，再将测量结果组合成一个数学表达式——这就是著名的贝尔不等式。

贝尔不等式为玻尔-爱因斯坦两派之争提供了检验判据：

如果贝尔不等式成立，表明局域实在论正确，隐变量存在，量子力学是不完备的，爱因斯坦正确。一开始，贝尔是站在爱因斯坦一方的，他也称自己是爱因斯坦忠实的追随者。

如果贝尔不等式不成立，表明局域实在论不成立，量子纠缠效应存在，量子力学是完备的，玻尔正确。

贝尔不等式将这场哲学辩论转化为可以通过实验裁决的科学问题。实验物理学家终于可以从“旁观者”转变为“参与者”，用实验数据来做出终极裁决。

终于轮到实验物理学家大显身手了。

04

裁决：实验验证之刻

第一次贝尔实验检验是 约翰·克劳泽（John F. Clauser） 在1972年做的。他建造了一套精巧的装置，用激光照射特殊晶体上来产生纠缠光子对，实验结果显示贝尔不等式不成立，玻尔正确。但是这个实验没有实现对两个粒子类空间隔的测量，存在局域性漏洞。

十年后，在1982年，阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）团队改进了这个实验，他们在光子离开信号源后的飞行中，快速随机地切换测量方向，弥补了局域性漏洞，实验结果依然是：贝尔不等式不成立。

1998年安东·塞林格（Anton Zeilinger）团队使用非线性晶体产生纠缠光子对，采用随机数发生器来切换测量装置，进一步关闭了局域性漏洞。通过检验贝尔不等式，塞林格等还发现，纠缠的量子态具有存储、传输和处理信息的潜力，这为量子信息技术奠定了基础。

贝尔实验检验甚至从地面延伸到了太空，2016年，我国成功发射的世界首颗“墨子号”量子科学实验卫星，在星地之间进行了双向量子纠缠分发实验，以4倍标准偏差再次违背了贝尔不等式。

2022年诺贝尔物理学奖授予阿斯佩、克劳泽和 塞林格 ，表彰他们各自利用纠缠量子态进行了开创性的实验，为量子信息新技术奠定了基础。

实验科学家历经几十年不断重复并改进实验手段，使实验模型越来越接近爱因斯坦最初的EPR设想，大量的实验结果证明：量子纠缠存在，量子力学是正确的。

至此，上世纪那场关于量子力学完备性的伟大论战，终于从哲学思辨回归物理实证——实验，是真理的终极裁判。尽管爱因斯坦的观点被证明是错误的，但他无疑是一位伟大的对手，他的每一次质疑都击中理论的模糊地带，推动了量子力学理论的完善与深化。