爱因斯坦真的反对量子力学吗？他在索尔维竟有“两副面孔”

1927年10月，布鲁塞尔。29位物理学家坐在一起拍下了一张照片，在场的人中有17位获得了或将要获得诺贝尔奖。这张照片后来被叫作“人类历史上最聪明的合影”。但比这张照片更出名的，是关于它的一个故事。

故事是这样讲的：在这场第五届索尔维会议上，爱因斯坦和玻尔爆发了世纪大辩论。爱因斯坦不接受量子力学的概率解释，说出了上帝不掷骰子；玻尔则回击：别去指挥上帝该怎么做。他们就像回合制游戏一样：爱因斯坦不断提出思想实验挑战量子理论，而玻尔则不断尝试回应这些挑战。到了1930年第六届会议，玻尔甚至用爱因斯坦自己的相对论反杀了他的光子盒实验。量子力学胜利，爱因斯坦失败。

▲1927年索尔维会议，这场会议某种意义上只有三个量子力学的反对派：74岁的洛伦兹、69岁的普朗克，48岁的爱因斯坦。后排站着的，多为物理学的新生代

这个故事一度演变为20世纪物理学史上难解憾事。爱因斯坦，20世纪最伟大的物理学家，终生都无法接纳量子力学。但是可不要忘了，爱因斯坦是量子物理的奠基人之一，他花了多年时间来宣扬量子的重要性及其革命性。所以有没有一种可能：这个故事的核心，可能错了？不是细节错了，而是叙事的出发点错了。爱因斯坦不是那个打不过就跑的保守派老家伙，玻尔也不是大获全胜的革命领袖。

带着这个疑问再去审视这段历史，我们会发现，历史比我们想象的更复杂，也更迷人。

暴风雨前夜

1927年的春天，量子力学正在经历一场痛苦的难产，而产房里的人先打起来了。当玻尔在外面滑雪度假的时候，海森堡在夜色中散步时顿悟了“不确定性原理”。但当玻尔回来审视这项工作时，他并不同意海森堡的推导方式，还发现了论文中的实验分析错误。问题是，海森堡已经把论文寄给了泡利和爱因斯坦。两人因此爆发了激烈争论，海森堡一度泪流满面，甚至用尖锐的言辞伤害了玻尔。

到了这年秋天，玻尔也逐渐接受了海森堡的解释，主要是他发现自己试了各种方法都无法否定。这反而让问题变得更严重。因为接下来，他们将要面对的，是爱因斯坦。

▲1932年，玻尔与海森堡在滑雪度假（Niels Bohr Archive）

玻尔和海森堡花了整整两个月进行紧锣密鼓的准备。他们不断重复检验，请学生和同事提出最尖刻的问题，还请泡利来攻击他们最薄弱的地方。但是玻尔还是无法接受这么一个怪诞的世界，这就像是一个魔术师和一个赌场设计师设计的作品。遇事不决，先去滑个雪吧。玻尔又去挪威滑雪了。从挪威回来后，玻尔有了一个新的想法。他急忙跳两个台阶地跑上研究所的楼梯，想与海森堡尽早分享他的成果。这就是后来被称为“互补原理”的核心思想：得知一个粒子位置的情形与得知其速度的情形是互补的。我们需要分别精确测出位置和速度，然后把这两个值综合到一起，才可能得知更多的知识。

▲量子力学圣地，玻尔当年的研究所，仅仅是一栋红色的小楼。海森堡与玻尔的房间面对面，但是吵架的两人都避免看见对方（inspired pencil）

同一时期的爱因斯坦也比较烦，主要是来拜访的人太多了，爱因斯坦不得不设了好几道防线来独享清闲。

他的主要精力在于统一场论，作为量子物理的奠基人之一，他并不否认哥本哈根学派在数学计算上的成功，而且还在密切地关注着新物理学的“暴风雨式的进展”，并且间接地鼓励和促进着德布罗意和薛定谔的研究工作。但他从骨子里排斥量子力学这种放弃了“因果律”和“客观实在”的概率解释，在他看来，一个只提供统计概率、不描述客观现实本身的理论，也许抓住了某些深刻的真理，但还远远谈不上完备。

自己的统一场论，将证明因果性和独立于观察者的现实性存在。如果这个理论成立，那么量子力学这种基于统计的理论就将是一个暂时的理论。完备，而非正确。这个区别，是理解后来一切争论的钥匙。

华山论剑？也可能是答非所问

第五届索尔维会议前两天氛围比较轻松，虽然得布罗意和波恩之间擦出了一些火花，但是爱因斯坦保持了沉默。转折点发生在第三天，海森堡与波恩发布了一份联合报告，在报告的最后，他们激动地说道：“我们认为量子力学是一个完整的理论，不需要再对它的基本物理和数学假设进行任何修改。”这种说法意思是将来无论出现什么进展，都不会改变这个理论的深刻进展。这种宣言在物理学史上从来不是什么好兆头。而对爱因斯坦来说，一个尚未真正描绘出客观现实的理论竟敢自称完备，这未免也太早了。

▲前索尔维生理学研究所，1927年第五届索尔维会议的举办地，现为Émile Jacqmain中学，那张著名的照片正是在此拍摄

所以当海森堡与波恩宣告理论大厦建成的时候，保罗·埃伦费斯特（Paul Ehrenfest）发现爱因斯坦一直在笑。他马上写纸条给爱因斯坦：“别笑！要是量子力学是对的，你以后在地下得天天补课。”爱因斯坦说：“我只是笑他们幼稚。”一个没有真正描绘出客观现实的理论，竟然敢称完备，那的确是有些可笑的。

不过对玻尔来说，这个感觉就不太好了。在整个大会讨论期间，爱因斯坦都没怎么发表意见。笑意与沉默，似乎成了暴风雨前最可怕的宁静。因此，当爱因斯坦在私下聊天时抛出一个又一个思想实验时，玻尔觉得自己成功防守了一次又一次：这些可能性我都想过了，我已经找不到问题了，老兄你就投了吧。在当时与会者心中，玻尔已经成功的说明了他所代表的哥本哈根学派观点的一致性，爱因斯坦也并没有找到他们解释的问题，但是也没有被说服。

▲1925年，玻尔和爱因斯坦在埃伦费斯特的家中（Entangled quantum histories）

两个人对决的高潮发生在1930年的第六届会议。爱因斯坦在黑板上画了一个精巧的“光子盒”，这个盒子带有精密时钟和快门，似乎可以同时精确测量光子的能量和飞出时间。如果成立，不确定性原理就被打破了。亲历者罗森菲尔德（Léon Rosenfeld）回忆了那个夜晚的名场面：

那对玻尔是个真正的打击……整个晚上他极度不安，不断地在科学家之间来回奔走，试图说服他们这不可能是对的，如果爱因斯坦是正确的，物理学就完了。我永远不会忘记两人离开俱乐部时的画面：爱因斯坦，高大挺拔的身影，沉着地走着，带着淡淡的讽刺微笑；玻尔则在他身边小跑着，满脸激动。第二天早晨，迎来的是玻尔的凯旋。

▲路边社报道：爱因斯坦走出会场，面带笑容，像想要逃走一样。玻尔张着嘴，急急忙忙地想跟上他。他的身子向爱因斯坦那边倾斜着，绝望地想让爱因斯坦听到他说的话。尽管玻尔的大衣搭在左臂上，他还是用左手的食指做着手势，他在强调正努力表达的观念。爱因斯坦的手放在身体侧面，一只手抓着手提箱，一只手夹着一根可能代表胜利的雪茄。他在听玻尔说话的时候，小胡子没能藏住他的微笑。旁观者罗森菲德说：玻尔那天晚上像“一只刚被暴打了的狗”。（路人埃伦费斯特提供照片）

第二天，彻夜未眠的玻尔带着他的反击登场。称量盒子需要把它悬挂在引力场中的弹簧秤上；为了读出质量变化，必须让盒子回到原来的位置，这就引入了位置的不确定性；而根据广义相对论的引力红移效应，盒子在引力场中的位移会导致内部时钟走速的改变，从而引入时间的不确定性。经过一番推导，玻尔证明了不确定性原理毫发无损。用一个人自己创造的理论来击败他的论证，这是物理学史上最漂亮的反击之一。

但是，玻尔很可能赢了一场爱因斯坦根本没想参与的战斗。会议结束八个月后，埃伦费斯特在柏林拜访了爱因斯坦，随后给玻尔写了一封信：“他（爱因斯坦）对我说，他很久以来就完全不再怀疑不确定性关系了，因此他绝不是为了‘反对不确定性关系’才设计了那个‘可称量的光子盒’，而是为了一个完全不同的目的。”

▲1920年，爱因斯坦在埃伦费斯特的家中，腿上坐着的是埃伦费斯特的儿子（莱顿大学）

那爱因斯坦的目的是什么呢？回想光子盒的设计：盒子里的光子飞出后，我们可以在任意时刻称量盒子来确定光子的能量。而这个光子，可能已经飞到了很远的地方。也就是说，我们对盒子的操作，似乎在瞬间“决定”了远处光子的某个物理量。或者说，对一个粒子的测量，怎么可能瞬间影响另一个遥远粒子的状态？

这正是爱因斯坦所说的“鬼魅般的超距作用”。如果量子力学的描述意味着这种超距作用真实存在，那么它就与相对论的定域性原则相矛盾：光速是宇宙中信息传递的绝对上限，没有任何影响可以瞬间从一个地方传到另一个地方。对爱因斯坦来说，这并不是一个可以接受的解释，而恰恰是量子力学不完备的证据。它一定遗漏了什么。

这个追问，五年后在1935年的EPR论文中被正式提出，成为了量子力学基础研究中最深刻的问题之一。爱因斯坦等人的论证指向一个尖锐结论：如果世界遵守局域性，那么量子力学就一定是不完备的，也就是说，在理论背后，还应该存在更深层的描述。

输赢不重要，重要的是问题本身

虽然无论从当时还是后来的眼光看，爱因斯坦确实站在了当时量子力学主流的对立面。但实际上，爱因斯坦对量子力学的态度，从来不是简单的“反对”。

1929年，在接受普朗克奖章时，爱因斯坦说道：“我无比地钦佩年轻一代的物理学家所取得的成就，这些物理学家的名字将与量子力学永远联系在一起，并且他们相信那个理论反映了深层次的事实。”1931年，他再次推荐海森堡与薛定谔获得诺贝尔奖，在推荐信中他这么写到：“在我看来，这个理论毫无疑问包含了某些最高真理。”但是在他的心里，量子力学不是那么完善，也没有达到玻尔等人认为的“圆满”的地步。

在他在世的年代，这种坚持让他付出了代价。奥本海默说他是“普林斯顿的一个十足的疯子”。年轻一代的物理学家被反复告知：爱因斯坦老了，他对量子问题的意见不能相信。玻尔则感慨老朋友曾是“征服量子现象这片荒野的先锋”，却对量子力学保持疏远和怀疑，这是一个悲剧。

▲1930年第六届索尔维会议，虽然这张照片并不出名，但其中仍有13位当时以及未来的诺奖得主。朗之万坐在前排中间，左边是玛丽·居里，右边是爱因斯坦前排，右二是玻尔。海森堡（右一）泡利（右五）站在玻尔身后

故事其实还没有结束。1964年，约翰·贝尔（John Stewart Bell）正是在爱因斯坦的启发下，提出了著名的“贝尔不等式”。他把两位宗师关于世界本质的哲学争论，变成了一个可以用仪器检验的物理问题。但是当大家用越来越精密的仪器去测试贝尔不等式时，发现量子世界中确实存在类似“超距关联”的现象，而这种关联无法用经典的局域性直觉来解释。但这并不是爱因斯坦的彻底失败，因为正是沿着他指出的这条名叫“纠缠”的幽暗小径，人类竟然一路走到了量子密码和量子计算。

时至今日，这场争论真的结束了吗？并没有。尽管量子力学在应用上取得了空前的成功，但当被问到量子世界在哪结束、经典世界在哪开始时，大家仍然会露出迟疑。诺奖得主霍夫特（Gerard 't Hooft）依然在寻找一个“不那么反直觉的深层理论”；而量子纠缠实验的先驱尼古拉·吉辛(Nicolas Gisin)也觉得量子理论 “依然是不完整的”。他们和爱因斯坦一样，都在追问那个根本问题：这一切到底意味着什么？

尾声：上帝与骰子

1927年第五届索尔维会议期间的一个晚上，海森堡、泡利以及狄拉克等人聚集在旅馆休息厅后面，他们讨论的内容当然说爱因斯坦发言。其中有一个人说：很难想象爱因斯坦这样的科学家会同宗教传统有密切的关系。另外一个人补刀：爱因斯坦甚至不如普朗克，普朗克也只是认为宗教和科学是共存的。

但是当年早些时候，当别人问及爱因斯坦的宗教观时，他这样回答到：当我们用有限的方法试着探索大自然的奥秘时，你会发现在所有可以认识的关联事物背后，有些非常微妙、难以明白和不可解释。对这种超越一切力量的崇敬，可以把它视为我的宗教。

所以说，爱因斯坦不是真正的在讲上帝，也不是真的在反对量子力学。

参考文献：

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3.曼吉特·库马尔. 量子理论: 爱因斯坦与玻尔关于世界本质的伟大论战 [M]. 蒲云, 译. 重庆: 重庆出版社, 2012.

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8.MARAGE P, WALLENBORN G. The Solvay Councils and the Birth of Modern Physics [M]. Basel: Birkhäuser, 1999.

来源：墨子沙龙

编辑：zzz

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