從1925年6月海森堡前往北海黑爾戈蘭島休假開始，一場量子物理的風(fēng)暴悄然醞釀。隨后短短一年時，新思想像火山爆發(fā)般涌現(xiàn)——矩陣力學(xué)和波動力學(xué)相繼問世，量子力學(xué)的理論大廈巍然矗立。量子力學(xué)掌控著微觀世界，然而圍繞量子力學(xué)本質(zhì)的解釋卻讓物理學(xué)家們長期爭論不休。

01

交鋒：索爾維1927

爭論以多種形式展開：書信往來、論文交鋒，但都比不上面對面的思想碰撞來得痛快。1927年10月，物理學(xué)界的全明星陣容齊聚比利時布魯塞爾，參加第五屆索爾維會議。在這次會議上，29位與會者中有17人已是或?qū)⒊蔀橹Z貝爾獎得主，唯一的女性，居里夫人得過兩次諾貝爾獎。會議的合影也成為流傳很廣的科學(xué)明星合影。而真正讓這次會議載入史冊的，是愛因斯坦與玻爾之間那場影響深遠的世紀辯論。

薛定諤的波動方程因其簡明易學(xué)，很受歡迎，人氣很高。方程的解——波函數(shù)描述的既不是機械波也不是電磁波，而是全新的“概率波”。電子圍繞原子核運動的經(jīng)典圖像被拋棄，取而代之的是如一團云霧般的“電子云”，電子云亦非實體，它是核外電子在空間的概率分布的直觀呈現(xiàn)，密度大的地方表明此處電子出現(xiàn)的概率也大。

▲電子云動圖（來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/644110295）

當物理學(xué)家繼續(xù)追問“概率”的本質(zhì)時，分歧產(chǎn)生了，形成了兩大對立的陣營。

以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派認為，量子力學(xué)的概率性是內(nèi)在的、根本的。我們只能計算出電子出現(xiàn)在某個位置的概率，而不是確定的預(yù)言。電子在被測量之前，處于一種所有可能性的“疊加態(tài)”。

愛因斯坦堅信宇宙遵循決定論，量子力學(xué)的概率性是現(xiàn)有理論的不完備帶來的，也就是說，存在一些我們尚未知道的“隱變量”，一旦掌握這些變量，就能恢復(fù)對微觀世界的確定性描述。

雙方的爭論最終被提煉為一個生動的比喻——“上帝擲不擲骰子？”

這場爭論超越物理范疇，上升到哲學(xué)立場之爭。理論物理學(xué)家在唇槍舌劍，實驗物理學(xué)家在一旁吃瓜。

02

僵持：薛定諤之貓是死是活？

1935年，愛因斯坦陣營的薛定諤提出著名的“薛定諤貓”思想實驗，來“揭示”哥本哈根學(xué)派所謂“疊加態(tài)”的荒謬性。實驗設(shè)想將一只貓與一個由放射性原子控制的毒氣裝置同置于密閉箱中。若原子發(fā)生衰變，毒氣釋放，貓便會死亡；而一小時內(nèi)原子衰變的概率為50%。請問：一小時后，貓咪是死是活？打開箱子，貓的狀態(tài)很確定，要么死，要么活；不打開箱子，貓就處于生和死的量子疊加態(tài)。

一只既活著又死了的貓，薛定諤認為這很可笑。

玻爾等人用互補性原理等做出回應(yīng)，但無法讓薛定諤心服口服，實驗物理學(xué)家繼續(xù)吃瓜。薛定諤不僅嘲諷道：“我們不可能用單個電子或單個原子做實驗……如果可能的話，后果將非?？尚Α?/p>

愛因斯坦陣營繼續(xù)出招。他和波多爾斯基、羅森三人合寫了一篇著名的論文，《能認為量子力學(xué)對物理實在的描述是完全的嗎？》（Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?），文中設(shè)計了一個思想實驗。

假設(shè)一個總自旋為零粒子衰變成兩個電子A和B，根據(jù)動量守恒，電子A和B向著相反的方向飛去，由于自旋守恒，這兩個電子的自旋方向必然相反，一個電子的自旋向上的話，另一個必然自旋向下。

當兩個電子相隔數(shù)光年之遠時，有一個物理學(xué)家測量了電子A的自旋，假如測量結(jié)果是“向上”，他瞬間就知道數(shù)光年外的電子B的自旋“向下”。物理學(xué)家對A的測量操作好像瞬間影響了遙遠的B的狀態(tài)。愛因斯坦稱其為“幽靈般的超距作用”——即一種無需時間無視距離的瞬時關(guān)聯(lián)。

愛因斯坦堅信任何超越光速的作用都是不可能的，他們稱這個思想實驗為EPR悖論。既然超距作用不存在，那么就意味著A、B粒子在分離時就攜帶了某種“隱藏的指令”（即隱變量），測量只是揭示預(yù)設(shè)狀態(tài)，而非瞬時影響。量子力學(xué)未能描述這些“隱變量”，所以是“不完備”的。

玻爾沒有否認這種“超距作用”，而是給出了另一種解釋，他認為，這種跨越空間的瞬時關(guān)聯(lián)（也就是非局域關(guān)聯(lián)）恰恰體現(xiàn)了量子系統(tǒng)內(nèi)在的整體性。在量子力學(xué)的整體論和互補性框架下，EPR悖論所揭示的超光速矛盾自然消解，因此，量子力學(xué)在其適用范圍內(nèi)是完備的。

這場EPR悖論之爭仍然沒有明確的贏家，它更像一場哲學(xué)觀念的碰撞，但極大地深化了人們對量子力學(xué)基礎(chǔ)的理解。

03

破局：貝爾不等式

轉(zhuǎn)機出現(xiàn)在1964年。

當時貝爾在歐洲核子中心工作，業(yè)余時間研究量子力學(xué)。他提出一種能夠用實驗檢驗量子非局域性的方法，讓一對糾纏的光子飛向相反方向，然后在不同方向上測量它們的偏振狀態(tài)，再將測量結(jié)果組合成一個數(shù)學(xué)表達式——這就是著名的貝爾不等式。

貝爾不等式為玻爾-愛因斯坦兩派之爭提供了檢驗判據(jù)：

如果貝爾不等式成立，表明局域?qū)嵲谡撜_，隱變量存在，量子力學(xué)是不完備的，愛因斯坦正確。一開始，貝爾是站在愛因斯坦一方的，他也稱自己是愛因斯坦忠實的追隨者。

如果貝爾不等式不成立，表明局域?qū)嵲谡摬怀闪?，量子糾纏效應(yīng)存在，量子力學(xué)是完備的，玻爾正確。

貝爾不等式將這場哲學(xué)辯論轉(zhuǎn)化為可以通過實驗裁決的科學(xué)問題。實驗物理學(xué)家終于可以從“旁觀者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皡⑴c者”，用實驗數(shù)據(jù)來做出終極裁決。

終于輪到實驗物理學(xué)家大顯身手了。

04

裁決：實驗驗證之刻

第一次貝爾實驗檢驗是 約翰·克勞澤（John F. Clauser） 在1972年做的。他建造了一套精巧的裝置，用激光照射特殊晶體上來產(chǎn)生糾纏光子對，實驗結(jié)果顯示貝爾不等式不成立，玻爾正確。但是這個實驗沒有實現(xiàn)對兩個粒子類空間隔的測量，存在局域性漏洞。

十年后，在1982年，阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）團隊改進了這個實驗，他們在光子離開信號源后的飛行中，快速隨機地切換測量方向，彌補了局域性漏洞，實驗結(jié)果依然是：貝爾不等式不成立。

1998年安東·塞林格（Anton?Zeilinger）團隊使用非線性晶體產(chǎn)生糾纏光子對，采用隨機數(shù)發(fā)生器來切換測量裝置，進一步關(guān)閉了局域性漏洞。通過檢驗貝爾不等式，塞林格等還發(fā)現(xiàn)，糾纏的量子態(tài)具有存儲、傳輸和處理信息的潛力，這為量子信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

貝爾實驗檢驗甚至從地面延伸到了太空，2016年，我國成功發(fā)射的世界首顆“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在星地之間進行了雙向量子糾纏分發(fā)實驗，以4倍標準偏差再次違背了貝爾不等式。

2022年諾貝爾物理學(xué)獎授予阿斯佩、克勞澤和塞林格，表彰他們各自利用糾纏量子態(tài)進行了開創(chuàng)性的實驗，為量子信息新技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

實驗科學(xué)家歷經(jīng)幾十年不斷重復(fù)并改進實驗手段，使實驗?zāi)Ｐ驮絹碓浇咏鼝垡蛩固棺畛醯腅PR設(shè)想，大量的實驗結(jié)果證明：量子糾纏存在，量子力學(xué)是正確的。

至此，上世紀那場關(guān)于量子力學(xué)完備性的偉大論戰(zhàn)，終于從哲學(xué)思辨回歸物理實證——實驗，是真理的終極裁判。盡管愛因斯坦的觀點被證明是錯誤的，但他無疑是一位偉大的對手，他的每一次質(zhì)疑都擊中理論的模糊地帶，推動了量子力學(xué)理論的完善與深化。

文章轉(zhuǎn)載自“墨子沙龍”微信公眾號