作者：赵肖荣
10月7日，瑞典皇家科学院决定将2025年诺贝尔物理学奖授予科学家约翰·克拉克、米歇尔·H·德沃雷特、约翰·M·马蒂尼斯，以表彰他们“发现电路中的宏观量子力学隧穿和能量量子化”。这个时间点也很巧，如果以1925年6月海森堡在德国黑尔戈兰岛建立矩阵力学为标志，量子力学到今年刚好100周年。一百年来，量子力学凯歌高奏，在理论进展和实际应用方面都取得了巨大的成就。现在，手机、电脑、相机📷️里的感光元件、全球通话依赖的光纤网络等，最底层的原理都离不开量子力学。量子力学是现代科技的两大基石之一，另一个是相对论。未来，量子信息科学若与人工智能深度融合，将有更多惊喜。
这次诺奖表彰的宏观尺度观测量子隧穿效应，有其理论基础和自然观测基础。1926薛定谔提出著名的波动方程，表明量子隧穿效应是一种能够从理论上被推导出来的可能性。而在自然界，这种现象也实实在在地发生并被观测到，比如放射性现象，原子核的阿尔法衰变，阿尔法粒子被强大的核力像一堵墙一样束缚着，按照经典物理学思想，若粒子能量不够就永远无法逃逸。但是在微观领域，量子隧穿效应表明能量不够的粒子有一定几率可以逃逸，这个几率决定了原子核的半衰期。量子隧穿在自然界的真实存在启发了科学家们，今年诺奖授予的三位科学家，正是抱持着对物理基础理论的好奇心， 用一个由数十亿粒子组成，能够被人类设计制造的，相对来说算得上宏观的超导电路组成的实验，观察到量子的隧穿效应和能量量子化。这个发现构成了宏观量子现象，或者说是量子电动力学的实验基石，在基础物理和工程技术之间架起了一座桥梁，将量子力学从我们在自然界里观测的现象，变成我们可以在实验室里工程化地设计制造，并可以通过技术手段精确控制的研究。这一发现不仅拓宽了我们对量子物理适用边界的认识，对我们理解宏观世界和微观世界的界限也有重大的启发价值。有关2025年诺奖的通俗解读，媒体会相继推出，不是这篇读书笔记的重点。今天这篇读书笔记，想要回顾一下发生在百年前量子力学两位开拓者——爱因斯坦和玻尔之间的论战。
（爱因斯坦与玻尔）
2025年诺奖授予“发现电路中的宏观量子力学隧穿和能量量子化”，向公众揭示了量子力学不仅只是解释微观世界运行规律的物理理论，同时也是人类能在自己设计制造的宏观尺度上精确观测并控制驾驭的物理现象和技术应用。以1925年6月海森堡在德国黑尔戈兰岛建立矩阵力学为标志，量子力学至今100年，可谓高歌猛进，其理论上的精确完备和应用上的巨大成就，足以让人们遗忘掉在其诞生之初所经历的种种争议和挫折。量子纠缠、测不准原理、薛定谔的猫等，在公众的理解中，往往与神秘主义联系在一起。即使在科学界内部，有关量子力学的理论完备性、哲学诠释曾一度存有争议。其中以爱因斯坦和玻尔之间的论战最为著名，那场被科学界誉为“世纪争论”的伟大论战，历史似乎做出了判决，重温的意义在于提醒世人，科学需要争论，否则就会荒芜。
小伙子物理学
1927年的深秋十月，在比利时布鲁塞尔，第五次索尔维会议召开。作为一战之后化解民族仇恨、消除国家壁垒的手段之一，国际科学交流被寄予了厚望。此前一年达成的《洛迦诺公约》为德国被国际联盟接纳铺平了道路，遂爱因斯坦等德国物理学家得以顺利参加此次会议。
就在不久之前，一群年轻的物理学家在普朗克的黑体辐射☢️、爱因斯坦的光电效应、玻尔的原子光谱等旧量子论的基础上，开拓了新的量子理论，即量子力学。其中，1923年德布罗意提出光的波粒二象性也适用于物质（物质的波动性质在1927年被实验验证），1925年海森堡遵循光的粒子图景发现了矩阵力学，1926年薛定谔从光的波动图景出发创建了波动力学。之后，玻恩确立了两者在数学上的等价性，狄拉克和约尔当又各自独立地发展了一种普遍的变换理论，量子力学有了简洁、完善的数学表达形式。在做出这些成就时，他们大多只有二十来岁，量子力学也被称为“小伙子物理学”。
学生时代的普朗克
海森堡
德布罗意
薛定谔
玻恩
对物理学来说，漂亮的数学形式只是其中的一部分，它必须和实验观测相结合，并给出完整的解释，才算得上相对完善的理论。在第五次索尔维会议召开时，量子力学的数学体系及实验观测已经逐渐被接受，但是量子力学现象动摇了物理学们奉为圭臬的“决定论”、“实在论”等经典物理学思想，用什么样的语言来解释量子力学，困扰着量子力学领域的大师们。如何用常识语言和哲学语言解释量子力学，是物理学共同体的 “难言之隐”。
解决这个“难言之隐”就成了1927年索尔维会议的目标。当普朗克、洛伦茨、居里夫人、朗之万、爱因斯坦、玻尔、玻恩、康普顿、德布罗意、狄拉克、泡利、埃伦费斯特、海森堡、薛定谔等，齐聚布鲁塞尔，争论在所难免。当时量子力学阵营分为三派：以布拉格、康普顿为代表的实验派，以玻尔、海森堡、玻恩为代表的哥本哈根派，以爱因斯坦、德布罗意、薛定谔为代表的哥本哈根反对派，他们各持己见，吵得不可开交。科学史家在回顾这次会议时，形容它就像一次神学会议，就教义上存在的争议争论不休。三派之间的分歧与争论，可以另文详述，这里要重点讲述爱因斯坦与玻尔的论战。
哥本哈根解释：玻尔的实用主义
在量子理论暴风骤雨般的进展中，玻尔很早就意识到，物理学遇到了“观察者问题”，与经典物理学中外部世界完全独立于观察者的“实在论”相冲突。1927年春，位于丹麦哥本哈根的玻尔研究所提出了哥本哈根学派的解释，主要阐述者是玻尔，另外一位贡献者是海森堡。哥本哈根解释包含三个基本概念：波函数的概率解释、海森堡测不准原理和互补性，简单地说，波函数的概率解释就是原子出现在某处的概率，是指被发现的概率，而不是真实在某处的概率，是你的观察决定了它在某处。海森堡测不准原理讲的是你将物体的位置测量得越准确，那么你得到的速度就越不准确，反之亦然，即你不能同时准确测量一对“互补量”（如位置和速度，时间和动量等）。互补性原理是指微观对象粒子性方面和波动性方面是“互补”的，在做观察实验时，同一时间只能考虑其中的一个方面。借助这个概念，是波，还是粒子，取决于选择做哪种实验。
1927年10月28日下午，玻尔在会议上阐述了上述思想，他说：“要想明确地传达探测量子世界的实验结果，不仅需要实验装置，还要用一种通过传统物理学的词汇得到的提炼的合适的语言来表达观察本身。”在有人提出反对意见后，他继续反驳道：“认为物理学的任务是要找出自然界是什么的想法是错误的，物理学所关心的是对自然界我们能够描述什么，如此而已。”
玻尔的发言挑战了爱因斯坦的物理学信念，即相信一个独立于观察者的客观实在是探讨科学最基本的前提。这一信念来自于经典物理学，一直是物理学的灵魂。
为了证明测不准原理是错误的，爱因斯坦设计了一个思想实验，让原子通过单狭缝衍射以及双缝干涉实验，通过测量原子通过后光阑的运动，来确定动量和位置。但是玻尔轻易就指出了其中的缺陷，这一推理成立必需建立在同时知道光阑的初始位置及动量的基础上，而测不准原理限定了不能同时精确测定物体的位置和动量。第一回合玻尔轻松完胜爱因斯坦。但是爱因斯坦并没有被说服。哥本哈根解释并没有消除量子力学给他带来的不安，这种不安源于认识论的困惑。哥本哈根解释在哲学上引出“观察干扰实在，甚至创造实在”以及自由意志等问题，这与牛顿经典物理学思想中的“独立于意识的客观实在”以及“严格决定论”是冲突的。“量子力学是关于这个世界我们能说什么，而不是这个世界是什么”，玻尔知道爱因斯坦是正确的，而玻尔不得不采取这种态度，一种基于实用主义的策略。这种策略，在爱因斯坦看来是物理上的失败主义，物理学家是不能容忍的！
光盒实验：爱因斯坦的子弹
第一回论战失败后的第三年，1930年第六次索尔维会议上，为了证明测不准原理是错误的，爱因斯坦又设计了一个思想实验。这个实验起初看起来比三年前的实验更天衣无缝，玻尔为此焦虑万分、彻夜难眠。据比利时物理学家罗森菲尔德的回忆，那天，在高大的爱因斯坦身旁，玻尔神情沮丧，说如果爱因斯坦是正确的，那就说明物理学完蛋了。
（1930年第六次索尔维会议，玻尔忧心忡忡，爱因斯坦暂据上风）
爱因斯坦的思想实验就是科学史上著名的光盒-时钟实验。根据爱因斯坦的设计，一个挂着时钟的盒子里，有一个光子，来回反弹，这个时钟既可以让光子离开，也可以精确记录下光子离开的时间。在一个盒子里来回反弹，盒子里挂着一个时钟，它可以开门让光子离开，并精确记录下光子离开的时间。由 E=MC²这一关系式，对光子离开前后的盒子称重，便可确切地知道系统的能量变化，从而得到光子的能量，这样，能量和时间这一对互补量都可以确定了，很显然，测不准原理是不正确的。
（多年以后，玻尔为爱因斯坦的思想实验画了一幅示意图，用以重新审视自己的胜利）
爱因斯坦的这个思想实验，让玻尔经历一个不眠之夜，他苦苦思索着其中的每一个细节。据说在凌晨的某个时点，玻尔突然看到其中的缺陷。他发现爱因斯坦几乎犯了一个致命的错误，爱因斯坦忘记了自己最伟大的成就——广义相对论。重力引起时间膨胀是广义相对论的思想之一，如果在一个房间内挂着两个同步的钟，一个被固定到天花板上，另一个被固定到地板上，引力会让地板上的时间过得比天花板上的时间慢，这就意味着，对光盒称重会影响到盒内时钟的计时，即时间和能量不能被同时精确测量，测不准原理依然正确！
有真实世界EPR吗？
爱因斯坦的两次挑战反而证明了测不准原理的正确性。1930年，爱因斯坦已经五十二岁了，对于物理学尤其是量子力学来说，这个年纪已经是老人了。对于年轻一代的物理学家来说，这样的争论是老人们的事情，对他们而言没有意义。何况，量子力学太成功了，一个胜利接着一个胜利。20世纪20年代末，原子物理学解决了一个又一个问题，30年代早期，中子被发现、中子冲击原子核诱发核反应的工作开拓了核物理的新领域、世界上第一个粒子加速器构建…..即使没有爱因斯坦，物理学依然在大踏步前进。
第二个回合之后，玻尔认为爱因斯坦就此偃旗息鼓。然而，1935年5月15日，一篇名叫《量子力学所描述的物理现实性可以认为是完全的吗？》发表在《物理评论》杂志上，论文的回答是“否”。论文是由爱因斯坦、波多尔斯基和罗森合著的，取每人的首字母即EPR，就是后来大名鼎鼎的EPR论文。这次爱因斯坦攻击的不是测不准原理，而是量子力学的完备性。EPR提出一个物理理论完备的必要条件：“物理现实性中的每个元素必须在该物理理论中有一个配对物。”在阐述这一观点时，给出的思想实验如下：
A和B 两个粒子在瞬间接触后，沿相反方向离去，测不准原理不允许任何给定时刻同时测出每个粒子的位置和动量，但是，却允许精确地测量A和B两个粒子的总动量和它们的相对位置。根据动量守恒定律，可以在B不受干扰的情况下，测出B的动量。这个思想实验是想证明，粒子的位置和动量都是“现实性元素”。
EPR论文甫一发表，嗅觉敏锐的媒体立刻就意识到大戏开幕，物理学界也一片惊慌。对玻尔来说，无疑是晴天炸雷。他立即放下一切工作，彻底检查EPR思想实验。7月13日，他将同名的驳斥论文《量子力学的物理现实性描述可以认为是完全的吗？》也投给了《物理评论》，他的回答是“是”。像爱因斯坦不再攻击测不准原理一样，玻尔在驳斥中也选择了退一步的策略，不再执着于“干扰”问题，他争辩道：“虽然对粒子A的观察不对粒子B造成‘机械’的干扰，但是A和B在分开之前曾相互作用，它们就作为一个系统的一部分纠缠在一起，不能单独处理为两个分开的粒子。如果粒子B的位置和动量的现实性是由对A进行的测量确定的，那么似乎就存在某种远距离的瞬时‘影响’。”这种影响就是后来被爱因斯坦视为“鬼魅般的超距作用”。
显然，爱因斯坦和玻尔之间的论战更多的是哲学问题，而非物理学问题。差不多在论战后的30年，自称为“量子『工程师』”的贝尔提出的贝尔不等式（一个有关是否存在完备局域隐变量理论的不等式，有严格的数学形式，在经典物理学中成立，在量子力学中不成立）给出了对这场论战在实验室中进行判决的机会。最后，实验结果没有支持爱因斯坦的局部实在性，而是支持了玻尔的量子不确定性。现在，量子信息科学正蓬勃兴起，科学界不断传出消息，证实爱因斯坦在这场争论中的错误，至今，人们将其视为爱因斯坦一生中最重要的错误之一。但是，在另外一种意义上，爱因斯坦是正确的，即使是他的对手玻尔也承认爱因斯坦是正确的，因为物理学不能仅仅从实用主义的角度来作出解释。
科学没有争论，就会荒芜。爱因斯坦和玻尔的伟大论战为寻求哥本哈根替代性解释以及更为完备的理论开辟了道路，也为如何定义“实在性”提供了富有启发性的思考。爱因斯坦坚信有一个独立于观察者的现实世界，直到晚年，于1952年12月24日同香克兰的谈话中依然说：“你知道，我在这里是一个异端（大笑），但是我相信，有朝一日会发现我是正确的。你知道，上帝不会发明出几率科学。”！
科学的进展似乎为这场争论划上了句号，所有实验都证明量子纠缠确实存在。至于为什么会这样，依然无法解答，从这个角度看，自然界向我们展示其神秘性，也许是刻意让我们意识到我们认知的局限性，提醒我们应该关注科学史上伟大论战中的失败一方，善且有成，虽败犹荣！
