学术界的“神仙打架”？决战“量子之巅”

量子科技在“十五五”规划建议里排在未来产业之首，但你可能不知道量子的提出和基础研究其实已有百年之久。爱因斯坦和玻尔的争论，就要从光量子这种令人费解的“双重人格”说起。

“上帝不会掷骰子。”当爱因斯坦在索尔维会议上抛出这句话时，他反对的不是上帝，而是量子世界的“随机与纠缠”。一边是玻尔、海森堡力挺的哥本哈根学派，一边是坚持“定域实在论”的爱因斯坦阵营——这场关于世界本质的争论，持续了近百年。这一期，我们走进这场被称为“量子之巅”的思想决战。

决战“量子之巅”

1927年举办的第五届索尔维会议，集结了一系列物理学泰斗级的人物。哥本哈根学派的丹麦物理学家玻尔与德国物理学家海森堡，和以爱因斯坦（美国和瑞士双国籍的犹太裔物理学家）、奥地利物理学家薛定谔、法国物理学家德布罗意等人为首的思想阵营，在会议上进行了量子力学领域思想上的激烈碰撞。哥本哈根学派阐述了他们对于量子力学理论的诠释，双方各执己见，辩驳对方的理论。

爱因斯坦反驳哥本哈根学派的不确定性原理时称：“上帝不会掷骰子！”玻尔当即反驳：“爱因斯坦，不要告诉上帝怎么做事。”风云变幻，龙虎交济。讨论很快就变成了爱因斯坦和玻尔之间的对决。爱因斯坦是非常崇尚宇宙精妙的人，他认为量子力学的完全随机和纠缠非常荒谬，直至离世也难以接受哥本哈根学派对于量子的一系列理论。

哥本哈根学派的理论

叠加态和纠缠态是量子力学哥本哈根学派诠释理论中最基本的概念。用阿斯佩举的一个例子来说：对于一对双胞胎，他们的眼睛可能为蓝色或者黑色，但具体不知，在状态上是不确定的，但我们知道了他们眼睛颜色一致，那么当发现一人眼睛为蓝色时，另一人无论在哪里，我们都可以瞬时知道他的眼睛颜色也为蓝色。

量子力学认为，我们在观察眼睛之前，颜色是不确定的，它处在黑色和蓝色的叠加态；在我们观察后，眼睛的颜色也就解除了叠加态，我们确定了一人眼睛颜色是蓝色，另一人也就“坍塌”成了蓝色。

从实在论与定域论到隐变量理论

而爱因斯坦的核心观点则认为：我们不知道双胞胎眼睛的颜色，并不代表它处在叠加态，它可能本身就为黑色或者蓝色，我们不知道眼睛的颜色是什么，仅仅是因为我们没有进行观察，这便是实在论。

此外，如果测量发生在两个粒子相距特别远的情况下，那它们的相互作用是超光速的(这种说法并不严谨，理论上并不存在速度，是同时发生的)，爱因斯坦认为这违背了定域论，也因此将它称为“遥远的鬼魂作用”。

简单来说就是一个特定物体，只能被它周围的力量影响。我们知道光子等粒子和各种场可以充当物质相互作用的介质，这些介质的上限是光速，所以对于超光速的量子纠缠来说，是没有任何物质能充当其介质的。

两点综合也被叫作定域实在论，爱因斯坦认为，量子纠缠之所以看上去违背定域实在论，就是因为还存在着我们尚未知道的作用机制。他将其称为隐藏的变量，也就是隐变量理论，并且指出，由于量子力学没有发现这种隐变量，所以量子力学尚不完备。

爱因斯坦根据定域论与实在论，联合另外两名科学家发表了论文——《量子力学是完备的吗？》。结合3人名字的姓，这篇论文也简称为EPR佯谬。但这在当时那个时代却没有产生太大的反响。

如何证明你在观察一个物体之前它是什么？这很难实现，直到1964年，一位名为贝尔的科学家发现：“坍塌”出现的机率还真不太一样。

量子力学的“终极绝判”——贝尔不等式

理论

爱尔兰物理学家贝尔是一位特别有思想的科学家，他对量子力学十分感兴趣，但一直对其根基抱有怀疑。在上个世纪，随着原子核物理的发展，哥本哈根学派在量子领域基本已成为正统理论，得到了社会广泛承认。而贝尔却赞同爱因斯坦的观点，认为定域实在论是有一定道理的，因此他一直苦苦寻觅证明隐变量存在的办法。

在考虑了定域实在论后，贝尔创立了“贝尔不等式”。简单来说，由于不等式的条件完全从“隐变量机制”角度出发，在定域论和实在论的双重假设下，对于两个分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制。如果不等式成立，则说明爱因斯坦的隐变量理论是正确的,而按照量子力学，实验结果的概率应该与此不同，结果应超过贝尔不等式的极限。至此，贝尔实现了将一个哲学问题转换为可用实验证明的实践问题。

实验

贝尔不等式的详细原理十分复杂，简单来说就是实验仪器制造出纠缠光子对，它们的自旋方向一定相反，系统的总自旋一定为0。我们知道依据马吕斯定律（强度为I〔0〕的线偏振光，透过检偏片后，透射光的强度〔不考虑吸收〕为I=I〔0〕cos²θ。〔θ是入射线偏振光的光振动方向和偏振片偏振化方向之间的夹角〕），光通过偏振片与其夹角的大小是有关系的

现在有3种偏振片，其3种角度可以分别对应：直接通过、不通过、有概率通过，那么随机选择一种偏振片，无非是通过与不通过两种情况，通过排列组合一共有8种情况。现在两端分别随机放置偏振片，重复大量实验满足大数定理（在随机事件的大量重复出现中，往往呈现几乎必然的规律），计算最后两端测量结果一致的概率是否满足不等式。由于不等式是基于经典物理学和线性隐变量理论、定域实在论出发的，所以如果实验能够满足不等式，就说明存在隐变量。

而在2022年3位诺贝尔物理学奖获得者的实验中，结果都显著不满足不等式，贝尔不等式不满足！因此反推出隐变量理论是错误的。

毫无疑问，量子世界是一个神秘的，是一个人们还需探寻的领域。2022年的诺贝尔物理学奖获得者证明了一个“答案”是不正确的，但还仍有千千万万个“答案”在等待着我们去探索。欢迎在留言区说出你的看法，一起继续这场跨越百年的量子讨论。

责任编辑｜赵青云

运营编辑｜赵青云 李佳桐（实习）

质量审核 | 王维嘉 李雅欣

图文来源 | 《知识就是力量》杂志《量子故事汇（下）》，撰文/刘玉柱（南京信息工程大学教授、博士生导师）、蔡玉垚（南京信息工程大学），原文有删改，原创作品转载请注明来源。

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