第二章：愛因斯坦的滑鐵盧 第一節：愛因斯坦的滑鐵盧
量子力學與哲學辯證
在科學的發展史上，哲學與物理學一直都是相互驗證、共同進步的，量子力學建立以後，對於量子力學的物理解釋和哲學意義一直存在著嚴重的分歧，著名的索維爾會議就曾對這一問題產生過激烈的爭論，而這次會議也堪稱是迄今為止物理哲學曆史上最偉大的辯論。許多著名物理學家、哲學家、實驗物理學家、數學家等都卷入了這場爭論。這場爭論之深刻、廣泛，在科學史上也是罕見的，其中最著名的就是1927年，1930年的第五、第六屆索維爾會議上，以玻爾為代表的哥本哈根學派和愛因斯坦之間關於量子力學的激烈辯論。
論戰的導火索是緣於薛定諤的一次講學。1926年9月，薛定諤應玻爾的邀請，到哥本哈根介紹他的波動力學。在結束時，薛定諤提出應該放棄量子躍遷的概念，而代之以三維空間的波來描述微觀客體的行為，即以傳統的連續性觀念，代替量子力學理論中的間斷性觀念。薛定諤的這一想法一提出來，立即遭到玻爾的強烈反對。這一爭論可以看做是愛因斯坦和玻爾爭論的序幕。
以玻爾為代表的量子力學的哥本哈根學派起源於1921年玻爾在丹麥哥本哈根創建理論物理研究所，該研究所成立後迅速成為當時國際上公認的物理研究中心，逐漸形成了以玻爾為核心、以哥本哈根的名字命名的學派。哥本哈根派對量子力學的創立和發展做出了傑出貢獻，代表人物有玻爾、海森堡、泡利和玻恩等。海森堡的“測不準關係”和玻爾的“互補原理”構成了哥本哈根學派詮釋量子力學的兩大主要支柱。1927年後，逐漸為大多數物理學家所接受，因此被人們稱為量子力學的“正統”解釋。
該學派的主要觀點由以下三部分構成：一、波函數的幾率詮釋：在微觀領域裏，力學的因果律和決定論都遭到了破壞。在相同的實驗條件下，可以發生各種不可預測個體量子過程，每次測量都會由於觀測儀器與客體之間不可控製的相互作用而引進新的實驗條件，使通常情況下的因果鏈被打斷。所以在量子力學中，人們必須放棄力學意義上的因果律和決定論，而把幾率性看成是本質的。
二、測不準關係：1927年，海森堡發表了論文《量子論中運動學和動力學的可觀測內容》，並提出了著名的“測不準原理”。為了說明他的測不準原理，海森堡設計了一個理想實驗：用一個γ射線顯微鏡觀測一個電子。由於顯微鏡的分辨率受光波波長的限製，為了精確確定電子的位置，應該使用波長短的光，而波長越短，光子的動量越大，根據康普頓散射，引起電子動量的變化就越大。因此電子的位置愈準確，就愈難確定電子的動量。反之亦然。
海森堡認為，微觀粒子既不是經典的粒子，也不是經典的波；當人們用宏觀儀器觀測微觀粒子時，就會發生觀測儀器對微觀粒子行為的幹擾，使人們無法準確掌握微觀粒子的原來麵貌；而這種幹擾是無法控製和避免的，同樣，能量和時間這種正則共軛物理量也遵從測不準關係，海森堡認為“這種不確定性，正是量子力學中出現統計關係的根本原因”。
三、互補原理：海森堡認為，測不準關係的存在，表明了位置和動量、時間和能量這些經典概念在微觀領域的適用界限；玻爾則認為這一原理並不表明粒子語言和波動語言的不適用性，隻是表明同時應用它們既是不可能的，但又必須同等應用它們才能對物理現象提供完備的描述。也就是說，微觀粒子具有波粒二相性，正是用經典語言描述微觀客體的結果，但經典理論中波和粒子這兩種圖像卻不能同時存在，它們是相互排斥的，並且，無論是那一種圖像都不能向我們提供微觀客體的完整描述；隻有把這兩種圖像結合起來、相互補充，才能提供微觀客體的完整描述。這就是玻爾的互補原理。
這種互補概念適用與整個物理學，甚至成為一種哲學原理。
而以愛因斯坦為首的另一部分物理學家，如薛定諤、德布羅意等對哥本哈根學派的觀點尤其是對基因果性上提出了質疑。
早在1920年1月27日，愛因斯坦針對泡利反對連續區理論的觀點表示了他自己對“完全的因果性”的信念。1924年他針對玻爾關於輻射的波動在本質上是幾率波的假設而評論說：“玻爾關於輻射的意見是很有趣的。但是，我決不願意被迫放棄嚴格的因果性，將對它進行更強有力的保衛。我覺得完全不能容忍這樣的想法，即認為電子受到輻射的照射，不僅它的跳躍時刻，而且它的方向都由它自己的自由意誌去選擇。”
1927年9月，在意大利科摩召開的一次紀念意大利科學家伏打逝世一百周年的大會上，玻爾第一次提出了“互補原理”。這篇演說不僅用物理學語言，而且還用了大量的哲學語言。這使科學家們感到震驚。薛定諤等不讚成玻爾的觀點，尤其是不同意把物理學建立在測不準關係或其他不確定的統計解釋上。一直到1927年10月，愛因斯坦、玻爾等人應邀參加第五屆索維爾會議，這個被稱為凝結人類一半智慧的會議，也成為曆史上最著名的哲學盛宴。
索維爾會議——曆史上的頭腦風暴發生在上個世二十年代末期的，這次有百年來頂尖物理學家參與的索維爾會議，成為物理學哲學思辨的世界級別的華山論劍，是近代物理學的一個世紀的縮影，是兩個物理學派的經典大戰，其意義一直影響到百年後現代物理學的發展與進步。
這次會議上以玻爾、玻恩、海森伯等為代表的哥本哈根學派崛起，奠定了現代量子力學，而質疑哥本哈根派量子力學觀點的愛因斯坦、德布羅意、薛定諤等人則受到了羞辱式的打擊。在量子力學方麵失去話語權。
但也就是這次沉重的打擊，促使了愛因斯坦開始了物理學意義上的又一次革命，就是大統一理論，愛因斯坦的後半生幾乎把所有的精力都用在了統一量子力學與相對論的道路上來了。因此在愛因斯坦基礎上，上世紀後半期一直到現在，包括霍金等很多的頂尖物理學家們開始把精力用在完成大統一理論上來。
索爾維會議是由一位比利時的實業家歐內斯特·索爾維創立並以自己名字命名的。第一屆索爾維會議於1911年在布魯塞爾召開，後來被第一次世界大戰打斷，但從1921年開始又重新恢複，定期3年舉行一屆。到了1927年，這已經是第五屆索爾維會議了，這也成了最著名的一次索爾維會議。
這次會議因有愛因斯坦、薛定諤等重量級的學者參加而被稱為“物理學全明星夢之隊”。目前流傳得最廣的那張“物理學全明星夢之隊”的照片，就是這次會議的合影。
參加這次會議的，幾乎都是當時世界上最頂尖的物理學家，大部分都獲得過諾貝爾獎或者在物理界有著舉足輕重的地位，被號稱“聚集了地球一半智慧的辯論”。這些物理學家奠定了現代物理學的大部分基礎。這次會議從10月24日開始曆時六天，主題是“電子和光子”。
會議的觀點實際上可分為三派，即以布拉格、康普頓為代表的實驗派；以玻爾、玻恩、泡利，海森堡為代表的歌本哈根學派（簡稱G派）；還有以愛因斯坦、德布羅意、薛定諤為代表的愛因斯坦派（簡稱A派）。
哥本哈根學派的觀點認為：波函數精確地描述了單個體係的狀態；波函數提供統計數據，測不準關係的存在是由於粒子與測量儀器之間的不可控製性；在空間、時間中發生的微觀過程和經典因果律不相容。
而愛因斯坦派的觀點認為：一個沒有嚴格因果律的物理世界是不可想象的，並且還認為量子力學可能出了問題。
一場世紀大辯論即將展開，會議的氣氛充滿激烈的火藥味。
首先是布拉格做關於X射線的實驗報告，然後康普頓報告康普頓實驗及其和經典電磁理論的不一致。接著世紀的論戰便開始了：A派（愛因斯坦派）的德布羅意一馬當先做了發言，他試圖把粒子融合到波的圖像裏去，提出了一種“導波”（pivotwave）的理論，認為粒子是波動方程的一個奇點，它必須受波的控製和引導。接著G派（哥本哈根派）的泡利立即狠狠批評這個理論，舉出一係列實驗結果反駁德布羅意，德布羅意被迫放棄自己的觀點。
A派薛定諤隨後大舉來援，不過他還是堅持一個非常傳統的解釋，這連盟軍德布羅意也覺得不大滿意。泡利早就嘲笑薛定諤為“幼稚”。
G派海森堡和玻恩說：“我們主張量子力學是完備的，它的基本物理假說和數學假設不能進一步修改。”他們集中火力攻擊薛定諤的電子雲。薛定諤認為電子的確在空間中實際地如波般擴散開去。海森堡評論說：“我從薛定諤的計算中看不到任何東西可以證明事實如同他所希望的那樣。薛定諤承認自己的計算不完美，但談論電子軌道是胡扯。（應該是波本征態的疊加）G派玻恩回敬道：“不，一點都不是胡扯。”在一片硝煙中，會議的組織者，老資格的洛倫茲也發表了一些保守的觀點。
A派的愛因斯坦一開始按兵不動，保持著可怕的沉默，不過當玻恩提到他的名字後，他終於忍不住出擊了。愛因斯坦提出一個模型：一個電子通過一個小孔得到衍射圖像。
愛因斯坦指出兩種觀點：
第一，這裏沒有一個電子，隻有一團電子雲，它是一個空間中的實在的。
第二，的確有一個電子，電子本身不擴散到空中，而是它的幾率波。
愛因斯坦承認，觀點二是比觀點一更加完備的，因為它整個包含了觀點一。盡管如此，愛因斯坦仍然說，他不得不反對觀點二。因為這種隨機性表明，同一個過程會產生許多不同的結果，而且這樣一來，感應屏上的許多區域就要同時對電子的觀測做出反應，這似乎暗示了一種超距作用，從而違背相對論。
G派的玻爾經過認真思考後指出：不能避免在測量時儀器對電子不可控製的相互作用，即電子與狹縫邊沿的相互作用。
愛因斯坦又想出了一個類似托馬斯·楊的雙縫幹涉實驗，如果讓大量電子通過兩條縫，會在屏上出現幹涉條紋。若控製電子槍，讓它一個一個地發射電子，屏幕上就會出現一個一個的亮點，並可測量他們的位置。如果分別關閉兩條縫，就可以知道電子是通過了哪條縫，從而可測出電子的準確路徑。由幹涉條紋可計算電子波的波長，從而可精確確定電子的動量，否定了測不準關係。
玻爾思考了一會兒又反駁說，如果關閉狹縫中的任何一個，實驗狀態就完全改變了，在雙縫開啟時出現的幹涉現象就不再出現，實驗回到了單縫狀態，隻不過先後通過了兩條單狹縫，等於多了一次與狹縫相互作用的不確定因素。更重要的是，電子行為依賴於壁障上有沒有另一條狹縫，即依賴於我們對實驗的安排。這樣，玻爾把愛因斯坦用來反駁互補原理的理想實驗，反而變成了用互補原理說明波粒二相性的例子。
可惜的是，玻爾等人的原始討論記錄沒有官方資料保存下來，對當時情景的重建主要依靠幾位當事人的回憶。
當時那一場激戰，討論的問題中有我們已經描述過的那個電子在雙縫前的困境：如何選擇它的路徑以及快速地關閉，及打開一條狹縫對電子產生的影響。還有許許多多別的思維實驗。埃侖費斯特在寫給他那些留守在萊登的弟子們（烏侖貝特和古德施密特等）的信中描述說：愛因斯坦像一個彈簧玩偶，每天早上都帶著新的主意從盒子裏彈出來，而玻爾則從雲霧繚繞的哲學中找到工具，把對方所有的論據都一一碾碎。
海森堡1967年的回憶說：“討論很快就變成了一場愛因斯坦和玻爾之間的決鬥：當時的原子理論在多大程度上可以看成是討論了幾十年的那些困難的最終答案呢？我們一般在旅館用早餐時就見麵了，於是愛因斯坦就描繪一個思維實驗，他認為從中可以清楚地看出哥本哈根解釋的內部矛盾。然後愛因斯坦，玻爾和我便一起走去會場，我就可以現場聆聽這兩個哲學態度迥異的人的討論，我自己也常常在數學表達結構方麵插幾句話。
“在會議中間，尤其是會間休息的時候，我們這些年輕人——大多數時間是我和泡利——就試著分析愛因斯坦的實驗，而在吃午飯的時候討論又在玻爾和別的來自哥本哈根派的人之間進行。一般來說玻爾在傍晚的時候就對這些理想實驗完全心中有數了，他會在晚餐時把它們分析給愛因斯坦聽。
“愛因斯坦對這些分析提不出反駁，但在心裏他是不服氣的。”
愛因斯坦如此虔誠地信仰因果律，以致決不能相信哥本哈根派那種憤世嫉俗的概率解釋。早在1926年他寫給波恩的信裏就說：“量子力學令人印象深刻，但是一種內在的聲音告訴我它並不是真實的。這個理論產生了許多好的結果，可它並沒有使我們更接近‘老頭子’的奧秘。我毫無保留地相信，‘老頭子’是不擲骰子的。”“老頭子”是愛因斯坦對上帝的昵稱，“上帝不擲骰子！”是愛因斯坦的著名論斷。
但是第一次論戰他輸了，輸給玻爾的哥本哈根學派。
隨著越來越多的人領悟到了哥本哈根解釋的核心奧義，很多科學家都投在哥本哈根派的量子門下。愛因斯坦非但沒能說服玻爾，反而常常被反駁得說不出話來，而且他這個“反動”態度引得許多人為之惋惜。
1905開始愛因斯坦依靠相對論，屢屢出手開始震驚物理界，實現了物理學的時空革命。可是，當年那個最反叛、最革命、最不拘禮法、最蔑視權威的愛因斯坦開始被物理學界嘲弄，被認為是站在了新生量子論的對立麵！
玻恩哀歎說：“我們失去了我們的領袖。”埃倫費斯特氣得對愛因斯坦說：“愛因斯坦，我為你感到臉紅！你把自己放到了和那些徒勞地想推翻相對論的人一樣的位置上了。”
愛因斯坦這一仗輸得狼狽，以玻爾為首的哥本哈根派和它對量子論的解釋大獲全勝。但是愛因斯坦不是那種容易被打敗的人，他與德布羅意、薛定諤、堅持經典物理理論。
第二次論戰
時光轉瞬，又是三年，1930年的第六屆索爾維會議又進行了兩派的第二次辯論。
愛因斯坦憑著和玻爾交手的經驗知道：在細節問題上是爭不出個什麽所以然，他必須得瞄準最關鍵的精髓所在：不確定性原理！
愛因斯坦提出光箱實驗：箱子裏有若幹光子，打開時間Δt，隻放出一個光子，Δt確定。於是箱子輕了Δm，可以用理想的秤測出，將Δm代入E=mc^2，ΔE也確定。ΔE和Δt都確定，測不準原理ΔEΔth/2π不成立。
這個實驗的精髓所在是：在精確測量Δt時，可以精確測量Δm，而Δm 可以由質能方程轉化為精確的ΔE，ΔE、Δt都是精確的，測不準關係失效了。
一開始，玻爾對此毫無準備，他臉如死灰，呆若木雞，不過就在第二天，玻爾的勝利到來了。
玻爾指出：一個光子跑了，箱子輕了Δm，用彈簧秤秤，設置零點，設位移Δq，根據廣義相對論的紅移效應，箱子在引力場移動Δq，Δt也相應改變ΔT，可以計算：ΔTh/Δmc^2。代入E=mc^2得ΔEΔTh/2π。
這次輪到愛因斯坦說不出話了，愛因斯坦的廣義相對論推翻了他自己。
哥本哈根學派再次大獲全勝。
玻爾又贏了，愛因斯坦並不甘心，但是愛因斯坦不得不承認哥本哈根的解釋是沒有矛盾的，量子力學依靠概率論。但他認為這種統計描述並不是完整的“圖像”。用愛因斯坦自己的話說，量子力學理論是不完備的，波函數並不能精確描寫單個體係的狀，它所涉及的是許多體係，隻是一個“係宗”。哥本哈根學派的統計描述隻是一個中間階段，應當尋求更完備的理論。
與此類似，玻姆的理論認為：目前量子力學之所以是一個統計理論（哥本哈根派的解釋），是因為存在還未發現的隱變量。個別體係的規律，正是由它們決定。如果能找出隱變量就可以準確地決定微觀現象每一次測量的結果，而不隻是決定各種可能出現的結果的幾率。也就是說，如果發現隱變量，那麽因果律還是存在的。
第七屆索爾維會議時，愛因斯坦因為納粹德國的迫害背井離鄉而沒有出席，而第五、第六屆會議改變了傳統量子理論，奠定了現代量子力學的基礎。玻爾經受住了時間的考驗，從此哥本哈根派思想廣為傳播，被科學界接受，並大方異彩，成了量子力學的統治學說。
量子力學的索爾維會議已經結束，愛因斯坦似乎成了量子力學的絆腳石，扮演著當年那些試圖否定相對論的人類似的角色。量子力學產生以來，正確性被科學界大量實驗驗證，然而，量子力學存在一個重大問題沒有解決：量子力學是否是完備的？波函數是否精確描寫了單個體係的狀態？真實的量子是如何運作的呢？
實驗為愛因斯坦平反
成功給出量子理論的判決使玻爾成為最終的獲勝者，他的哲學體係也因此作為“哥本哈根闡釋”而聞名於世。玻爾的得意門生惠勒後來把“哥本哈根闡釋”描述為“大煙龍”——有一個可見的頭和一條可見的尾巴，但是看不到中間部分，在我們眼中，那裏隻不過彌漫著一團擾亂視線的煙霧，這是一個能夠抵禦任何企圖對它進行屠殺的怪獸的。
然而，八十年後愛因斯坦未必是真正的輸家。雖然在物理界看來1927年和1930年兩屆索維爾會議上愛因斯坦被打敗，但是愛因斯坦仍堅持自己的理念，虔誠地信仰因果律，以致決不能相信哥本哈根那種憤世嫉俗的概率解釋。愛因斯坦的堅持自己的名言——“上帝不擲骰子！”
關於量子理論的爭論，愛因斯坦認為，量子力學本身是不完備的，如下幾個科學實例，就從根本上顛覆了哥本哈根派的觀點。
最早的就是“薛定諤的貓”的哲學思辨，而最近科學實驗發現電子是能夠分裂的，而且量子能夠同時測試位置與動量，無疑這給量子力學增加了新的問題，驗證了索維爾會議上，愛因斯坦強調的量子力學是不完善的說法。
1935年，薛定諤發表論文《量子力學的現狀》，提出了噩夢般的貓實驗。對此，哥本哈根學派遇到了尷尬，，因為無法判斷這隻貓的死活，終於愛因斯坦派獲得了難得的對量子力學反擊的勝利，這也驗證了量子力學本身還具有更深層的內在因素。
“哥本哈根學派”認為，物質在被觀測之前，是處於一種不確定的疊加態的。為了反駁這種觀點，證實量子力學在宏觀層麵是不完整的，德國物理學家薛定諤設計出物理學史上最著名的動物——薛定諤的貓。
這是一個思想實驗：不透明的箱子裏裝著一隻貓，箱子中另外還有一個原子衰變裝置，原子會隨機發生衰變，一旦衰變發生，就會激發一係列連鎖反應，最終打破箱子裏的毒氣罐而毒死貓，反之貓則活。在打開箱子觀測那一瞬間之前，原子的衰變和貓的死活都處於一種疊加態，隻有當打開箱子的一刹那，貓的死活才確定下來。所以，在打開箱子之前，貓既是死的，又是活的。問題是，現實中的貓怎麽可能是“既死又活”的呢？我們的常識中，貓要麽是死的，要麽是活的。量子論無法解釋現實世界，這成了量子論無數個困惑之謎中最神秘的一點。
“薛定諤的貓”出現之後，物理和哲學界就客觀世界和人的意識的決定因素產生了一場大討論：如果人的觀測能決定貓的生死，那是否人的意識也會決定客觀世界的走向呢？
對此，哥本哈根學派隻能吞下苦水，承認那隻貓是處於“死活混合”的幽靈態。他們對這個事情的解釋甚至涉及了“意識”。
因此可見，愛因斯坦未必是錯的。並且現代物理學研究發現，一些實驗都證明了電子是能夠分裂的，並且能夠測量量子的兩種狀態，這些都違反了哥本哈根派的量子力學的核心觀點。
2009年8月，英國研究人員通過實驗證實了電子可分裂為自旋子和空穴子的理論假設，英國劍橋大學日前發布新聞公報說，電子通常被認為不可分。劍橋大學研究人員將極細的“量子金屬絲”置於一塊金屬平板上方，控製其距離，並將它們置於約零下273攝氏度的超低溫環境下，然後外加磁場，發現金屬板上的電子在通過量子隧穿效應跳躍到金屬絲上時分裂成了自旋子和空穴子。
2012年4月，在《自然》雜誌上發表了一篇關於“科學家觀察到電子分裂為自旋子和軌道子”的消息的文章。在 1996年，物理學家將電子空穴和自旋子分開。自旋和軌道這兩種性質伴隨著每一個電子，然而，最新實驗觀察到這兩種性質分開了——電子衰變為兩個不同的部分，各自攜帶電子的部分屬性：一個是自旋子，具有電子的旋轉屬性；另一個是軌道子，具有電子繞核運動的屬性，但這些新粒子都無法離開它們的物質材料。
科學網2012年1月19日發消息稱發現了違反量子力學“測不準原理”基本原理的現象。“測不準原理”是量子力學的基本原理，指在一個量子力學係統中，一個粒子的位置與動量兩方麵的值不可能同時被精確測定。科學家以科研用反應堆產生的中子為對象，測量與中子自旋相關的值。研究小組發現，當中子處於特定狀態的時候，他們能夠以超越“測不準原理”限度的高精度成功測量中子位置與動量兩方麵的值。而根據“測不準原理”，中子自旋時這兩個方麵的測量值會出現偏差。
2010年，美國科學家設計出一種肉眼可見的量子機械，讓一個極小的半導體“量子鼓”同時處在振動和不振動的疊加態，進一步縮小了量子力學和我們現實感之間的距離。該研究成果獲評《科學》雜誌2010年十大科學突破之首。
光到底是由波還是由粒子組成的呢？這個基本問題已經困擾了科學家們數十年的時間，到此為止的試驗顯示光的表現或者像粒子或者像波，但是從未同時表現過兩種狀態。現在一種新型試驗第一次展示了光能夠同時表現的像一種粒子和一種波，為這種困惑打開了一個新的局麵，也許能幫助科學家們揭開光和整個量子世界的真實麵目。
英國布裏斯托大學的物理學家阿爾貝托·佩魯佐在一份聲明中說道：“這種測量裝置檢測到了強烈的非定域性，這就證實在我們的試驗中光子同時表現的即像一種波又像一種粒子，這就對光或者像一種波或者像一種粒子的模型做出了強烈的反駁。”這篇描述試驗的論文發表在2012年11月2日出版的《科學》雜誌上，佩魯佐是論文的首席作者。
現在是為愛因斯坦平反的時候了，光同時表現出波與粒子的雙重特征，電子可分裂，同時測量量子的位置與動量兩種狀態，這些打破了哥本哈根派的量子力學的測不準原理，說明愛因斯坦強調量子背後因果關係是正確的。
玻爾堅持觀測得到的世界才是“真實”世界，哪怕我們觀察世界的時候必須透過一塊黑色的玻璃,也一樣是真實的,對於“真實”認識，要麽是不清楚，要麽含糊認可的現實。從曆史辨證角度來看，玻爾與愛因斯坦都有其局限與正確的一麵。但愛因斯坦當初堅持探索更深層的量子因果關係，看來又超出了當時的哲學思想範疇。