一百年前，一群物理學(xué)家動(dòng)搖了科學(xué)的基礎(chǔ)，這震撼至今且仍在持續(xù)。

在1926年，哥本哈根理論物理研究院的火藥味漸濃。這所研究所是由丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）于10年前組建成立的。他將其打造成一個(gè)匯聚正在原子領(lǐng)域建立新物理理論的年輕科學(xué)家們的溫室。1925年，玻爾的一位學(xué)生，才華橫溢且雄心壯志的德國(guó)物理學(xué)家維爾納·海森堡（Werner Heisenberg），提出了一種新的原子理論。但是現(xiàn)在每個(gè)人都在為該理論的物理現(xiàn)實(shí)本質(zhì)展開(kāi)激烈討論。

而對(duì)于哥本哈根的理論組而言，這個(gè)理論的提出意味著現(xiàn)實(shí)物理學(xué)的根基遠(yuǎn)沒(méi)有被完善，物理學(xué)遠(yuǎn)不止需要“修修補(bǔ)補(bǔ)”。

玻爾因其在1913年史無(wú)前例地提出的原子結(jié)構(gòu)理論而名譽(yù)科學(xué)界。受到德國(guó)物理學(xué)家馬克思·普朗克（Max Planck）于1900年提出的量子理論的啟發(fā)，玻爾認(rèn)為原子中圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子只能被束縛到具有特定能量的軌道上，并且只有通過(guò)發(fā)射或吸收離散的能量才可以在這些軌道之間實(shí)現(xiàn)跳躍，而這個(gè)分立的離散能量被稱為量子。

量子理論讓玻爾贏得了1922年的諾貝爾獎(jiǎng)，但是這個(gè)理論只是單純簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)的物理理論和普朗克的量子假說(shuō)縫合起來(lái)。玻爾渴望一個(gè)能夠說(shuō)明為什么原子具有這種量子化行為的解釋。這個(gè)解釋無(wú)法建立在從17世紀(jì)牛頓制定經(jīng)典力學(xué)定律以來(lái)的傳統(tǒng)物理理論，而是必須要建立在一個(gè)新的量子機(jī)制上。

這樣的一個(gè)“量子理論”最終在1925年的夏天由海森堡提出。當(dāng)時(shí)海森堡因?yàn)榈昧嘶ǚ蹮幔诒焙５暮諣柛晏m島上療養(yǎng)。這位雄心勃勃、大膽且充滿物理天賦的年輕人，早在1922年在哥廷根大學(xué)一場(chǎng)講座上挑戰(zhàn)玻爾的理論，受到了玻爾的關(guān)注。

1924年，玻爾邀請(qǐng)這位年輕人前往哥本哈根，兩人開(kāi)始尋找一種方法，將量子假說(shuō)用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)形式表達(dá)出來(lái)。海森堡也做出了類似玻爾在提出原子的量子理論時(shí)所展現(xiàn)的大膽嘗試：他摒棄傳統(tǒng)所堅(jiān)持的一切理論基礎(chǔ)，一切從頭開(kāi)始。他的理論嘗試包括：以矩陣的形式寫下原子發(fā)射光的頻率數(shù)值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些矩陣可以用來(lái)進(jìn)行計(jì)算，例如預(yù)測(cè)發(fā)射光的強(qiáng)度。

海森堡所提出的基于矩陣的量子力學(xué)看起來(lái)正是玻爾一直在等待的突破。玻爾給自己的前導(dǎo)師、新西蘭裔英國(guó)物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福的信中寫道：“我們現(xiàn)在看到了發(fā)展原子結(jié)構(gòu)定量理論的可能性。”

然而，海森堡嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木仃嚵W(xué)并沒(méi)有透露出這些數(shù)學(xué)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界——即物質(zhì)、光和能量的物理本質(zhì)——意味著什么。這一留白是有意的。海森堡決定只基于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行研究，不對(duì)其描述的潛在現(xiàn)實(shí)做任何假設(shè)。

愛(ài)因斯坦的懷疑

到1926年，量子力學(xué)的解釋問(wèn)題變得相當(dāng)混亂。哥本哈根學(xué)派——包括玻爾、海森堡以及同事，如直言不諱的年輕奧地利人沃爾夫?qū)づ堇?/span>（Wolfgang Pauli）和他們的合作者馬克斯·玻恩（Max Born），海森堡在哥廷根的前導(dǎo)師——與阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（Albert Einstein，他在1905年提出了光量子）和奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）等同行在如何解釋新的量子力學(xué)上存在分歧。來(lái)自哥本哈根學(xué)派的建議是，量子世界根本無(wú)法用在時(shí)空中相互作用的物體來(lái)形象化，這在愛(ài)因斯坦和薛定諤看來(lái)，似乎是放棄了科學(xué)努力追求的一切：描述現(xiàn)實(shí)的物理圖景。

更重要的是，在這一年初，薛定諤提出了一種與海森堡的量子力學(xué)形式相競(jìng)爭(zhēng)的理論，這一理論是基于量子粒子可被描述為波的假設(shè)所展開(kāi)的。這似乎慢慢展現(xiàn)了目前物理學(xué)家們正在研究的量子力學(xué)的物理圖景：矩陣是抽象和數(shù)學(xué)的，但波——即使是粒子實(shí)體如電子的波——也是大家所熟知的現(xiàn)實(shí)內(nèi)容。然而，海森堡似乎對(duì)于這種新理論對(duì)矩陣量子力學(xué)的明顯競(jìng)爭(zhēng)感到沮喪，他將波動(dòng)力學(xué)斥為“廢話”；薛定諤反過(guò)來(lái)也表示了他對(duì)矩陣力學(xué)中能量狀態(tài)之間突然的量子躍遷這一假設(shè)感到“厭惡”。

然而，很快哥本哈根學(xué)派內(nèi)部也出現(xiàn)了分歧。在試圖理解海森堡的想法時(shí)，玻爾發(fā)現(xiàn)自己與這位年輕的德國(guó)人的意見(jiàn)產(chǎn)生了沖突。玻爾傾向于接受薛定諤的波的概念，并提出了一個(gè)名為“并協(xié)原理”（complementarity）的概念，這成為了量子力學(xué)的基石：像電子這樣的物理實(shí)體可以表現(xiàn)為粒子或波的性質(zhì)，但這一個(gè)兩面性并不能在同一時(shí)間或同一實(shí)驗(yàn)中同時(shí)出現(xiàn)。

海森堡并不太在意這種定性的想法，他更傾向于僅僅基于數(shù)學(xué)的推演。他后來(lái)寫道：“我們的討論常常持續(xù)到深夜，盡管付出了長(zhǎng)時(shí)間的努力，但并沒(méi)有得出令人滿意的結(jié)論；我們倆都變得非常疲憊，而且相當(dāng)緊張?！?/span>他們的分歧幾乎讓海森堡崩潰。

相對(duì)的荒謬：愛(ài)因斯坦和玻爾在量子物理學(xué)的解釋上有著著名的分歧。愛(ài)因斯坦對(duì)于量子物理學(xué)中“現(xiàn)實(shí)只意味著我們觀察到的東西”這一觀點(diǎn)感到不滿，他以一種惱怒的語(yǔ)氣質(zhì)疑，如果我們不去看月亮，月亮是否就不存在。這種觀點(diǎn)挑戰(zhàn)了愛(ài)因斯坦對(duì)于物理現(xiàn)實(shí)的理解，他認(rèn)為科學(xué)的目標(biāo)是揭示一個(gè)獨(dú)立于觀察者的客觀現(xiàn)實(shí)。

在1927年春天，玻爾出發(fā)去挪威進(jìn)行滑雪旅行，并獨(dú)自思考了量子力學(xué)的問(wèn)題。在他離開(kāi)期間，海森堡撰寫了一篇論文，其中試圖解釋他的矩陣力學(xué)對(duì)于量子對(duì)象意味著什么。海森堡在論文中得出的結(jié)論似乎非常奇怪。

玻爾指出，量子粒子的一些屬性對(duì)是我們無(wú)法像我們希望的那樣同時(shí)精確測(cè)量的。如果我們更準(zhǔn)確地測(cè)量了其中一個(gè)屬性，那么另一個(gè)屬性就必然會(huì)變得不那么確定。海森堡說(shuō)，在自然界的核心存在著一種基本的不確定性。從經(jīng)典物理學(xué)的角度來(lái)看，這似乎很瘋狂，因?yàn)?/span>沒(méi)有什么能阻止我們同時(shí)測(cè)量一個(gè)大的經(jīng)典物體的速度和位置（如果做不到這一點(diǎn)，又怎么能對(duì)超速行駛進(jìn)行罰款呢？）。

當(dāng)玻爾在滑雪場(chǎng)上時(shí)，海森堡向他的導(dǎo)師玻爾提交了他的論文以供發(fā)表，但是只得到了玻爾對(duì)海森堡論文的反饋：論文中存在嚴(yán)重缺陷。海森堡試圖通過(guò)展示如何同時(shí)采用某種手段準(zhǔn)確測(cè)量出伽馬射線激發(fā)出的電子的位置和速度，以此來(lái)說(shuō)明他的“不確定性原理”（uncertainty principle），而這不可避免地會(huì)干擾到正在測(cè)量的對(duì)象本身。但玻爾認(rèn)為，海森堡在這里忽視了伽馬射線的波動(dòng)性——當(dāng)然，他確實(shí)忽視了，因?yàn)樗静幌矚g量子力學(xué)中的波的概念。

隨后，雙方進(jìn)行了更多激烈的討論，之后海森堡同意在論文末尾加上一條注釋，承認(rèn)玻爾關(guān)于波粒二象性互補(bǔ)性的觀點(diǎn)。“感謝上帝！”他寫信給父母說(shuō)，“我與玻爾的友誼當(dāng)然比物理學(xué)更重要。”

問(wèn)題的關(guān)鍵不僅僅在于新的量子力學(xué)是否正確。至少對(duì)于哥本哈根學(xué)派來(lái)說(shuō)——或者至少說(shuō)玻爾和海森堡的觀點(diǎn)是一致的——這一理論挑戰(zhàn)了過(guò)去幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)整個(gè)科學(xué)事業(yè)所依賴的假設(shè)。

他們認(rèn)為，量子力學(xué)要求我們摒棄舊有的現(xiàn)實(shí)觀念，用更模糊、更不明確、更令人不安的主觀性來(lái)取代它?？茖W(xué)家們?cè)僖膊荒芗僭O(shè)他們是在客觀地探索一個(gè)預(yù)先存在的世界。相反，似乎實(shí)驗(yàn)者的選擇決定了所看到的內(nèi)容——事實(shí)上，決定了哪些內(nèi)容可以被視為真實(shí)。

換而言之，世界并不是簡(jiǎn)單地、機(jī)械地存在那里，等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)關(guān)于它的所有事實(shí)。海森堡的不確定性原理表明，世界的這種事實(shí)只有在我們測(cè)量它們時(shí)才被確定。如果我們選擇精確地測(cè)量電子的速度（更嚴(yán)格地說(shuō)，是其動(dòng)量），那么代價(jià)是我們得接受——關(guān)于電子位置的事實(shí)根本不存在?；蛘叻粗嗳?。

然而，“在我們測(cè)量其中一個(gè)之前，位置或動(dòng)量是什么？”這個(gè)問(wèn)題是沒(méi)有答案的——不是因?yàn)槲覀冎挥杏^測(cè)完之后才能夠知道，而是因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題沒(méi)有意義。現(xiàn)實(shí)似乎會(huì)受到我們測(cè)量的方法的影響。愛(ài)因斯坦覺(jué)得這個(gè)想法很瘋狂。海森堡說(shuō)，愛(ài)因斯坦拒絕承認(rèn)“即使在原則上，也不可能發(fā)現(xiàn)完整描述一個(gè)物理過(guò)程所需的所有部分事實(shí)。因此，他斷然拒絕接受不確定性原理?！?/span>

一個(gè)世紀(jì)后，科學(xué)家們?nèi)栽跔?zhēng)論量子力學(xué)對(duì)現(xiàn)實(shí)本質(zhì)意味著什么這一問(wèn)題。其它可以解釋量子力學(xué)的觀點(diǎn)也出現(xiàn)了，并引發(fā)了激烈的辯論。

其中之一是“導(dǎo)航波”（pilot-wave）理論，該形式的理論是由法國(guó)物理學(xué)家路易·德布羅意（Louis de Broglie）在20世紀(jì)20年代提出，并且直到20世紀(jì)50年代才由大衛(wèi)·玻姆（David Bohm）進(jìn)一步發(fā)展完善。該理論認(rèn)為，量子粒子是在時(shí)間和空間上具有明確屬性的真實(shí)實(shí)體，但它們?cè)谝粋€(gè)被稱為量子勢(shì)的神秘場(chǎng)中的波的影響下發(fā)生改變并相互作用。

也許對(duì)于量子力學(xué)理論，最受歡迎的解釋通常被稱為多重世界觀（many-worlds view），該觀點(diǎn)最初由美國(guó)物理學(xué)家休·埃弗雷特（Hugh Everett）于1957年提出。它認(rèn)為，測(cè)量并沒(méi)有主動(dòng)在量子力學(xué)允許的可能結(jié)果中選擇哪一個(gè)成為“現(xiàn)實(shí)”；相反，所有結(jié)果發(fā)生了，但它們發(fā)生在測(cè)量發(fā)生時(shí)所形成的不同的多重世界中。

2022年因?qū)α孔邮澜珉y以捉摸的本質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究方面的貢獻(xiàn)（糾纏光子實(shí)驗(yàn)和證偽貝爾不等式）而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的物理學(xué)家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）表示，在德布羅意-玻姆解釋的情況下，不可能證明“任何粒子都有現(xiàn)實(shí)的軌跡”。同時(shí)，埃弗雷特表示“在不同狀態(tài)中同時(shí)進(jìn)行觀察，在本質(zhì)上是無(wú)法從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行驗(yàn)證的。”

這些對(duì)量子行為的這些解釋表明，物理學(xué)家們想要找到量子力學(xué)和客觀現(xiàn)實(shí)的聯(lián)系。他們想要回歸哲學(xué)家們所說(shuō)的現(xiàn)實(shí)主義，即事物具有確定的位置和屬性，無(wú)論我們?nèi)绾斡^測(cè)它們，或者我們是否觀測(cè)它們。但到目前為止，對(duì)量子世界的科學(xué)調(diào)查并沒(méi)有滿足現(xiàn)實(shí)主義者的要求。

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