世紀之戰:愛因斯坦和玻爾就「量子力學」大戰3回合,誰贏了?

量子力學建立初期，「糾纏」這個現象就引起了所有物理學家的好奇，愛因斯坦將其稱之為「遙遠地點之間的詭異互動」。量子力學中的所謂糾纏是這樣一種現象：兩個處於糾纏態的粒子可以保持一種特殊的關聯狀態，兩個粒子的狀態原本都未知，但只要測量其中一個粒子，就能立即知道另外一個粒子的狀態，哪怕它們之間相隔遙遠的距離。過去的大半個世紀裡，這種現象背後的本質一直深深困惑著科學家們。

上世紀，關於糾纏現象的看法將物理學家劃分成了兩派：以玻爾為代表的哥本哈根學派認為，對於微觀的量子世界，所謂的「實在」只有和觀測手段連起來講才有意義；但愛因斯坦等科學家無法接受這種觀點，他們認為量子力學是不完備的，測量結果一定受到了某種「隱變量」的預先決定，只是我們沒能探測到它。1935年，愛因斯坦和Podolsky及Rosen一起發表了一篇題為《Can quantum mechanics description of physical reality be considered complete》的文章，論證量子力學的不完備性，通常人們將他們的論證稱為EPR佯謬或者Einstein定域實在論。

愛因斯坦與玻爾這場論戰的源頭要從牛頓說起。

第1回合 愛因斯坦發動攻勢

在20世紀之前，整個物理學盡在牛頓經典物理學的掌控之下，在牛頓的宇宙裡，世界就是一個精密的鐘表，上帝造好表，上好發條，以後的一切就是確定無疑的。然而進入了20世紀後，牛頓的這座巍峨神殿在新發現的撞擊下轟然倒塌了。

在倒塌的廢墟下兩個新的門派站了起來，這兩個門派，一個是愛因斯坦以一人之力獨撐起來的相對論，另一個則是多位大師合力塑成的量子力學。

不過，這兩個門派卻無法和諧相處，相對論雖然推翻了牛頓的絕對時空觀，卻仍保留了嚴格的因果性和決定論，而量子力學卻更激進，拋棄了經典的因果關係，宣稱人類並不能獲得實在世界的確定的結果，它稱自己只有由這次測量推測下一次測量的各種結果的分布機率，而拒絕對事物在兩次測量之間的行為做出具體描述。

正是這一點成了論戰的主戰場，愛因斯坦深信，物理學規律是關於存在的規律，而不是一些可能性。

在一些記述中，這場論戰往往被過分簡化或者美化，說成是正確的某一方擊敗了另一方，而事實要複雜曲折得多。兩人的第一次交鋒是1927年的第五屆索爾維會議，儘管沒有詳細的會議記錄，但一些回憶錄提供了粗略的記述。這次會議可說群賢畢至，對支持量子力學的學者來說更是一次成功的大會，在閉幕式之前的討論中，量子力學派取得了壓倒性的勝利，愛因斯坦一直在旁靜坐，沒有發言。但是在閉幕式玻爾結束關於「互補原理」的演講後，提出相對論的天才突然開口了：「很抱歉，我沒有深入研究過量子力學，不過我還是願意談一些一般性的看法。」

然後，愛因斯坦用自己研究過的一個關於α射線粒子的例子表示了對之前玻爾等學者發言的質疑，不過他的發言相當溫和，甚至沒有提及後來雙方論戰的重點———海森堡的測不準關係和玻爾的互補原理。在愛因斯坦的發言之後，正式會議結束。但在之後幾天的時間裡，討論在繼續。根據與會人海森堡的回憶，常常是在早餐的時候，愛因斯坦設想出一個巧妙的思想實驗，以為可以難倒玻爾，但到了晚餐桌上，玻爾就想出了招數，一次次化解愛因斯坦的攻勢。到最後，誰也沒有說服誰。

第一回合，愛因斯坦受到了挫敗，但從雙方的邏輯立場看，他相信自己佔著有利的位置。因為他只要找到一個能夠成立的反例，就可以推翻或者至少動搖玻爾的不確定觀點，而玻爾無論舉出多少證明他的觀點成立的例子也無濟於事。

第2回合 「光子盒」無功而返

之後發生的一件事顯然進一步「激怒」了愛因斯坦。

1929年，玻爾發表了一篇劍走偏鋒的論文，用相對論的基本原理同他的量子力學理論相比較，其中說「通過對於觀察問題的深入分析，相對論註定要揭露一切經典物理學概念的主觀性質」，為他關於「在主體和客體之間不可能保持任何明確分界線」的主張提供佐證。

早已名滿天下的愛因斯坦當然不會容忍這樣的「挑釁」。1930年秋，第六屆索爾維會議在布魯塞爾召開，早有準備的愛因斯坦在會上向玻爾提出了一個著名的思想實驗———「光子盒」。這個實驗的裝置是一個一側有一個小洞的盒子，洞口有一塊擋板，裡面放了一隻能控制擋板開關的機械鐘。

小盒裡裝有一定數量的輻射物質。這隻鍾能在某一時刻將小洞打開，放出一個光子來。這樣，它跑出的時間就可精確地測量出來了。同時，小盒懸掛在彈簧秤上，小盒所減少的質量，也即光子的質量便可測得，然後利用質能關係E＝mc2便可得到能量的損失。這樣，時間和能量都同時測準了，由此可以說明測不準關係是不成立的，玻爾一派的觀點是不對的。

沒有記載顯示玻爾第一時間的反應，也許是震愕當場，啞口無言。但是這個同樣天才的大腦一樣不肯輕易認輸，經過了一個夜晚，很可能是一個不眠之夜，玻爾找到了一條路來指點這一似乎天衣無縫的實驗的缺陷，而這條路竟然真的是愛因斯坦的相對論！

光子跑出，掛在彈簧秤上的小盒質量變輕即會上移，而「以彼之道還施彼身」，根據廣義相對論，如果時鐘沿重力方向發生位移，它的快慢會發生變化，這樣的話，那個小盒上機械鐘讀出的時間就會因為這個光子的跑出而有所改變。換言之，用這種裝置來測定光子能量，就不能夠控制光子逸出的時刻———回到了測不準關係！

玻爾就這樣戲劇性地回答了愛因斯坦。在一些野史上，這個回合的交鋒以下面的對話結束。愛因斯坦對玻爾說：「難道你們真的相信上帝也靠擲骰子辦事嗎？」玻爾回敬道：「我們不能教導上帝該怎麼做！」

無論如何，愛因斯坦沒有被說服，因為玻爾的反駁只是取巧，理論上存在值得商榷之處，因為量子力學的假設不依賴測量過程的性質。不過這次會議多少是個轉折點，愛因斯坦終於承認了玻爾對量子力學的解釋不存在邏輯上的缺陷，他的主攻方向從找出量子力學的不自洽性，轉到證明量子力學的不完備性上了。

第3回合 EPR佯謬影響深遠

1935年，這場論戰達到了它的頂峰，一篇題為《能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎？》的論文讓論戰的交戰者遠遠超出了愛因斯坦和玻爾這兩人。這篇論文由愛因斯坦、波道爾斯基、羅森三人聯名發表，因此其提出的問題日後就被稱為EPR佯謬，EPR即三人姓氏的首字母。

用最簡單的話來說，EPR佯謬的關鍵內容就是，假設一個二體系統，由A和B兩部分組成，他們證明，此二體的「動量之和」與「位置之差」是可以同時測準的。然而，量子力學卻不能提供同時測準它們的方法。據此，愛因斯坦認為量子力學是不完備的。這篇論文一發表就引起了轟動，愛因斯坦自己曾回憶，他很快收到了許多物理學家的信件，爭先恐後地向他指出論證錯在哪裡，但讓愛因斯坦感到有趣的是，他們的理由都各不相同。

愛因斯坦最關心的回應當然來自於玻爾。在EPR論文發表的第二個月月底，玻爾即在《自然》雜誌上發表了一封簡訊，對EPR表示異議，不久後又發表了一篇與EPR論文同題的正式文章，用微觀系統的「整體性」或者「不可分離性」否定EPR的論證，他的這個思路可以借用黑格爾的一段名言闡釋，即「全體的概念必定包含部分，但如果按照全體的概念所包含的部分來理解全體，將全體分裂為許多部分，則全體就會停止其為全體」。

在之後的二三十年中，玻爾的理論佔了上風，但是他還是沒能說服愛因斯坦。

EPR的三位作者一直不承認他們的觀點有錯誤，愛因斯坦到了晚年仍然在寫文章為自己的觀點辯護，批駁玻爾。

後來，有人想將EPR佯謬的思想實驗推進到真實實驗，以此來證明孰是孰非。上世紀60年代，英國物理學家約翰·貝爾從數學上推導出了一個貝爾不等式，由此，人們才有可能設計實際的實驗來檢驗量子力學關於遠隔粒子量子關聯的預言是否正確。70年代末80年代初，物理學家共完成了十幾個實驗，其中大多數的結果與量子力學的預言一致。但是，如果引入非決定論的隨機性，那麼上述實驗其實只是說明了量子理論是超距關聯、非定域的，而沒有確定量子理論是決定論的還是非決定論的，上帝是否在擲骰子並無定論。

1955年，論戰的一方愛因斯坦去世，此時，玻爾領導的哥本哈根學派在物理學界的地位正如日中天。但不能說愛因斯坦是這場論戰的失敗者，在EPR佯謬的啟發下，越來越多的物理學家提出觀點挑戰玻爾的理論，或完善量子力學。到了上世紀七八十年代之後，哥本哈根學派終於喪失了它的正統地位。事實上，EPR佯謬，這柄愛因斯坦70年前鑄下的劍，直到今天還在展露鋒芒，近年，物理學家開始利用EPR關聯進行信息傳遞和「量子計算」等等可能的實際用途。

玻爾和愛因斯坦為此爭論了50年，直到他們最後去世問題也沒有得到解決，一直吸引著後人想要去驗證。

如何驗證呢？

說到定域實在論，其實包含了兩方面的含義：第一，物理實在論：任何一可觀測的物理量必定客觀上以確定方式存在，如果沒有外界擾動，可觀測的物理量應具有確定的數值；第二，定域因果性：如果兩個事件之間的四維時空是類空間隔的，則兩個事件不存在因果關係。基於這個理解，1964年，愛爾蘭物理學家貝爾提出了著名的「貝爾不等式」，該定理對於兩個分隔的粒子同時被測量時其結果的可能關聯程度建立了一個嚴格的限制。如果實驗上貝爾不等式不成立，則意味著從定域實在論出發的預期不符合量子力學理論，也就是說，量子世界本身就是概率性的。

一直以來，人們設計了各種實驗方案驗證貝爾不等式正確與否，陸陸續續地，一些實驗小組的結果傾向於支持貝爾不等式的破壞——即證明了量子力學的正確性。第一個真正確定性的實驗是由法國物理學家阿斯派克特做出的，他們在上世紀七十年代做出的三個實驗給出了量子力學非定域性的明確結論，但是最初的這些實驗驗證仍然存在漏洞。近年來不同國家的實驗小組都嘗試在實驗中逐步關閉了局域漏洞、自由選擇漏洞和探測效率漏洞，所有的實驗結果都支持量子力學的結論,證明定域實在論是錯誤的。

Bell不等式走出實驗室，飛向更遠處

Bell不等式的破壞在實驗室被驗證，那麼在更大的尺度上情況又如何呢？如果人們能在更遠的距離驗證量子糾纏的存在，也就意味著在更大的空間尺度上驗證量子力學的正確性。於是，人們想要帶Bell不等式往更遠的地方飛去。但是在更大尺度上進行實驗，存在一個攔路虎——衰減。這是什麼意思呢？在實際實驗中，人們常常用一種叫做「量子糾纏分發」的實驗驗證Bell不等式，它是把製備好的兩個糾纏粒子（通常為光子）分別發送到相距很遠的兩個點，通過觀察兩個點的測量結果是否符合貝爾不等式來驗證量子力學和定域實在論孰對孰非。由於製備和發送的是一對對單光子，量子的不可複製性又決定了單光子的信號是不可放大的，光纖固有的光子損耗導致光量子傳輸很難向更遠距離拓展。在地球表面，百公裡級別的量子糾纏分發幾乎已經是極限。

怎麼辦呢？有兩種方案，一種是利用量子中繼，一個個中繼站就有點像古時候的驛站，一段段地傳遞光子，但是目前來說量子中繼的研究還是受到了量子存儲的時間和效率限制；另一個方案就是利用衛星實現量子糾纏分發，外太空的真空環境對光的傳輸幾乎不存在衰減和退相干效應。星地間的自由空間信道損耗小，甚至理論上，利用衛星，科學家們可以在地球上的任意兩點之間建立起量子信道，有可能在全球尺度上實現超遠距離的量子糾纏分發。