沒有人看月亮的時候它是什麼樣？愛因斯坦與玻爾的世紀大辯論

今天想和你聊聊科學歷史上最著名的一場世紀大辯論 我們今天總掛在嘴邊的量子糾纏就是從這場辯論裏來的 如果你能回到1927年布魯塞爾那個陰沉的秋天的午後 走進大都會酒店的餐廳 你可能會覺得自己穿越進了一個科學版的諸神的黃昏 在那間充滿雪茄煙霧和低沉討論聲的宴會廳裏 29個當時地球上最聰明的人圍坐在一起 裏面有我們熟悉的薛定諤 泡利 狄拉克 普朗克 居里夫人 洛倫茲 還有海森堡 可能很多朋友是在絕命毒師裏第一次聽到這個名字啊 這當然是老白對海森堡的致敬了 這29個人裏當時有17個人已經拿到了或者即將拿到諾貝爾獎 把這些人召喚到一起的是第五屆索爾文會議 會議爲期六天 那些著名的物理學家在這次會議上發表了重要的演說 但是這些演說比起那次著名的世紀大對決都顯得暗淡無光了 第一排坐在中間的就是留着標誌性的亂彭彭的灰髮 眼神中帶着一絲頑固與悲憫的愛因斯坦 第二排的最右邊 那位身材高大 眼神像剃刀一般鋒利的就是尼爾斯伯爾 這次會議爲愛因斯坦和波爾的世紀大辯論拉開了帷幕 這場橫跨了30年 被稱爲物理學史上最偉大的智力對決 本質上是這兩位偉人對於到底什麼是真實的理念之爭 我們換句大白話來說就是 當我們不看月亮的時候 月亮到底是什麼樣子呢 愛因斯坦總共發起了三次進攻 三次都被波爾加以反駁 每次攻防戰都非常的精彩 也都讓人們對鬼魅一般的量子力學有了新的認知 接下來 我就帶你覆盤這三次改變人類世界觀的大對決 首先 我們必須搞清楚到底是什麼把愛因斯坦給惹毛了 在1927年之前 物理學界正在經歷一場地動山搖的大地震 傳統的經典牛頓物理學在微觀的世界面前失效了 牛頓力學定律把我們的宇宙想象成一臺無比精準的機器 只要你知道一個球體此刻的速度和位置 你就可以推算出下一秒 再下一秒 直到它到達宇宙終結時的樣子 這個就叫決定論 世界是確定的 可以預測的 因果律 嚴絲和縫 但是當科學家們試圖把這套邏輯搬進微觀的世界去觀察原子和電子的時候 卻發現它們不再是確定性的 而是由某種奇怪的概率統治的 一時間 最聰明的大腦們一個接一個的提出了顛覆性的發現 比如薛定諤寫下了他的波動方程 馬克思普朗克發現能量不是連續流動的流水 而是一份一份的包 他稱爲量子包 愛因斯坦本人也爲量子力學做出了非常重要的貢獻 他解釋了光電效應 證明了光既是波也是粒子 在這種混亂又讓人興奮的背景下 物理學的大咖們都想做一件事 就是爲這套新的規則定了一個調子 他們希望在理論和公式的背後給世界一個全新的解釋 宇宙到底是以什麼機制來運作的 到了20世紀20年代 以波爾 海森堡和波恩爲首的一群年輕人 提出了驚世駭俗的哥本哈根詮釋 他們認爲微光粒子在被測量之前根本就沒有確定的狀態 而是處於一種疊加態重 更讓愛因斯坦抓狂的是海森堡提出的不確定性原理 這個原理是說你永遠不可能同時精確的知道一個粒子的位置和速度 嚴格來說 海森堡提出的是位置和動量 這裏我們爲了便於理解就先說位置和速度 當你把位置看清了 它的速度就變得一團模糊 反過來也一樣 這就意味着物理學不僅沒有辦法準確的預測未來 甚至都沒有辦法準確的測量現在 這個就是著名的測不準原理 不知道你會怎麼理解這個測不準原理啊 我覺得如果是一個普通人 光是看到這個名字就會覺得 那個問題肯定出在我們的能力 而不是大自然的本質 對嗎 那測不準嘛 肯定是因爲實驗儀器的精度不夠 或者是我們設計實驗的方法有問題 對吧 實際上 當時的愛因斯坦也是這麼想的 他認爲 如果哥本哈根學派的解釋是對的 那這簡直就是物理學的退化 在他看來 微觀世界表現出來的隨機性僅僅是因爲我們測量的工具不夠精準 或者是我們還沒有找到那套隱藏的規則 他相信客觀世界必須是獨立於觀測者存在的 一個例子它就在那 不管你有沒有在看它 於是 從1927年那個秋天開始 他決定要發起反擊 要用邏輯的力量把這群所謂的迷途的年輕人給拽回現實 於是 我們的故事就來到了1927年布魯塞爾的第五屆索爾文會議 29個人對這個世界的底層邏輯分成了這麼三個學派 第一個學派就是我們剛剛說的哥本哈根學派 主要代表就是海森堡 尼爾斯波爾 馬克斯波恩 泡利等等人 他們相信微觀的世界就是被概率統治的 你就是不可能同時知道一個粒子的位置和速度 這個不是測量技術的問題 就是大自然的本質 那麼第二派就是哥本哈根解釋的反對派 代表人物就是薛定諤 愛因斯坦和德布洛伊 他們認爲宇宙一定有一套我們還沒有發現的運行邏輯 在我們的實驗不夠精密 理論不夠準確的情況下 看到的是一種隨機性 但支配這種隨機的更底層的規律一定來自於某種確定性 這就好比我們洗撲克牌之後會發現撲克牌是隨機的 但真正的底層邏輯來看 每一張牌在運行的過程中都有精準無比的軌跡路徑 還有另外一派 那就是隻關心結果的實驗派 包括布拉格和康普頓等等人 在他們看來 宇宙的規律本質上是什麼樣的這件事不重要 只要理論符合實驗的結果 只要它好用 那我們用起來就行了 這三個學派的觀點放到今天的人工智能上也很像這麼三種人的觀點 一種認爲大圓模型的本質就是隨機 所以它的幻覺永遠不可能消除 另一種人認爲 只要它是代碼 只要它的底層邏輯是無數的0和1 那我們就能夠參透它最底層的邏輯 從而最終找到某種確定性 第三種人就是 你們爭論那些都沒有用 只要AI好用 我把它用起來就行了 好 那回到我們的故事 舞臺搭好 我們的世紀大辯論就要開始了 愛因斯坦向波爾發起了第一次猛攻 讓我們來看看世界上最聰明的頭腦是怎樣辯論的 第一個回合叫做 攻擊雙鳳干涉實驗 整個會議的前幾天 氣氛其實非常的壓抑 海森堡和泡利這些二三十歲的年輕人紛紛上臺 宣講量子力學的數學基礎 而坐在第一排 頭髮花白的愛因斯坦卻一直保持着讓人不安的沉默 他禮貌的傾聽 在筆記本上塗塗畫畫 既不提問 也不鼓掌 這種沉默讓臺上的報告者都感到了巨大的壓力 正式的戰爭不是在講臺上爆發的 而是在早餐桌上 早晨在酒店的餐廳裏 愛因斯坦會帶着一種溫和但致命的微笑走向波爾 他會慢慢的從兜裏掏出一張餐巾紙或者一張便籤 上面畫着他昨晚設計的思想實驗 愛因斯坦的策略非常的聰明 他知道在理論尚不完備的情況下 是沒有辦法從邏輯上直接擊敗波爾的 但是他需要做的只是提出一個反例 你說位置和速度測不準 你說粒子性和波動性我們只能知道一個 那我只要設計一個實驗能同時窺探到兩個互不相容的物理量 那不確定性原理就會直接崩塌 他提出的第一個挑戰就是針對雙縫干涉實驗的一個改進版 這個雙縫干涉實驗我們比較熟悉了啊 中學的時候就做過 一個電子穿過有兩條縫的擋板 它會表現的像波一樣 同時的穿過兩條縫 最後在背後的屏幕上留下像水波一樣的干涉條紋 如果你想要在縫口裝一個探測器 看它到底是從哪條縫鑽過去的 你確實也能測得到 但是這種觀測就會讓電子的波動性徹底消失 干涉條紋就會消失 屏幕上就會出現一系列純隨機的小點 簡單理解 觀測行爲本身就是一種劇烈的干涉 會把脆弱的電子撞出波動的狀態 你不可能既知道電子走哪條縫 又能看到干涉的條紋 愛因斯坦發起的攻擊就是針對這個實驗 他提出的改進版是這樣的 我們把豎着的兩條雙縫旋轉90度 從左右兩條豎縫變成上下兩條橫着的縫 然後我們不要把擋板固定死 而是讓擋板懸掛起來 比如說掛在幾根非常細的彈簧上 讓它可以上下自由的活動 當一個電子穿過這個會動的擋板的時候 如果是從上面的縫鑽過去的 它會給擋板一個向下的微小的推力 如果是從下面的縫鑽過去的 就會給擋板一個向上的微小的推力 這個電子過去之後 我們不去直接觀察電子 而是回頭去測量擋板往哪個方向晃動了 那麼通過擋板的晃動 我就知道電子走了哪條縫 好 位置的信息我拿到了 而同時因爲我沒有直接干擾電子 電子就應該繼續保持波的狀態 在屏幕上打出干涉條紋 波動性也保住了 你看 我既知道了路徑 又看到了干涉 我既觀測到了確定性 又保住了波動性 那麼波爾 這個局你怎麼破呢 接下來的整整一天 波爾就像丟了魂一樣 目擊者聲稱他神色緊張 不斷的在走廊裏讀簿 拉住每一個路過的物理學家 不停的討論 海森堡後來回憶說 那是他見過波爾最緊張的一次 經過一天一夜的冥思苦想 波爾終於找到了愛因斯坦邏輯中的問題 第二天早晨 自信的笑容又重新回到了波爾的臉上 他走向愛因斯坦的餐桌 拋出了他的回答 波爾的邏輯非常的高明 他直接指出了愛因斯坦邏輯中的致命死角 他說 愛因斯坦 你忘了 這個會動的擋板 他自己也是由微觀粒子組成的呀 波爾的反駁一共分兩步 第一步是 如果你想通過擋板的晃動來判斷電子的路徑 你必須極其精確的知道擋板在電子穿過前後的速度 也就是動量 那麼根據不確定性原理 知道確定的速度就不知道確定的位置了 這就意味着你對擋板本身的位置也完全失去了掌握 那麼第二步 因爲擋板本身的位置變成了不確定的 它就在那裏上下的飄忽 這一飄忽 電子經過縫隙達到屏幕的距離也變得不確定了 那麼這種距離的不確定性會帶來什麼影響呢 波爾通過精密的數學計算證明 擋板位置這種晃動的程度 不多不少 正好足以把屏幕上的干涉條紋徹底抹平 變得模糊不清 結論就是 如果你想精確的測量路徑 就是通過擋板的反衝來觀察 那麼幹涉條紋就一定會消失 不確定性原理依然屹立不倒 波爾的觀點其實並沒有說服愛因斯坦 兩個人在會議的幾天時間內一直是爭論不休 他們的共同好友埃倫菲斯特急的在黑板前對愛因斯坦說 阿爾伯特 你現在的樣子就像當年那些頑固反對你相對論的保守派一模一樣 不過愛因斯坦不爲所動 還是倔強的搖頭 並且說出了那句流傳百世的名言 上帝是不置頭子的 而波爾則立刻回敬 愛因斯坦別去指揮上帝該怎麼做 非常有意思的一點是 在愛因斯坦提出這個設想後的98年裏 他一直只是一個思想實驗 因爲單個粒子的反衝力實在是太小了 那時候的儀器根本測不出來 但是在2025年 中國科技大學的潘建偉教授團隊利用尖端的量子技術真的復現了這個實驗 他們沒有用物理意義上的窄縫 而是用一顆被光學鑷子捕捉的如原子作爲可反衝的縫 這個縫當然要打引號了 通過測量這個原子的量子機態變化 他們真正的實錘了波爾當年的預言 任何試圖提取路徑信息的嘗試都會不可避免的導致干涉條紋的喪失 愛因斯坦的第一波攻勢在百年之後被現代科技蓋棺定論 那麼聽到這裏 不知道你對波爾的反駁有沒有覺得哪裏不對勁啊 如果我們的觀察測量會讓干涉條紋消失 那如果我們乾脆晚一點來觀察 就等干涉條紋在屏幕上出現之後 再去測量擋板上下位移的數據不就行了嗎 那干涉條紋總不會在我們的眼前重新消失吧 如果你發現了這個問題 那麼恭喜你 你敏銳的察覺到了量子力學中最詭異也最讓人着迷的一個核心問題 就是信息的可追溯性 咱們用普通人能聽得懂的話來說就是 其實你在問 如果我不看 但是這個證據留在了那裏 干涉條紋還會出現嗎 實際上當年的愛因斯坦和波爾沒有討論到這樣的深度啊 但我們站在今天可以再衍生一下這個問題 我們先說答案 只要粒子走過了哪條路的這個信息理論上存在 干涉條紋它就不會出現 這裏的關鍵點在於記錄已經產生 只是我們還沒有去讀它 但是量子力學認爲觀測不僅僅是指人類的眼睛去看 而是指微觀系統是不是和宏觀環境發生了糾纏 當電子推動了那個會動的擋板 或者說觸發了某種探測器 電子的狀態就和這個宏觀裝置綁定和糾纏在一起了 只要那個擋板動了 或者記錄儀裏面的某個電子跳變了 關於電子走哪條縫的信息就從微觀世界泄露到了宏觀世界 這種泄露就會導致電子的波函數坍縮 不管你之後去不去讀那條記錄 干涉條紋在電子撞擊屏幕的那一刻就已經註定消失了 物理學家約翰惠勒還提出了一個延遲選擇實驗 更有意思啊 如果我們在電子已經通過了縫隙快要撞到屏幕的前一秒 才臨時決定要不要看它走哪條路會發生什麼呢 實驗結果是 如果你在最後一刻 就是電子還沒有撞上屏幕的前一刻決定撤掉探測器 干涉條紋就會出現 而如果你在最後一刻決定開啓探測器 干涉條紋就會消失 那麼回到愛因斯坦的擋板實驗 波爾的反駁其實已經預判了你的疑問 如果你想讓記錄儀 也就是擋板記錄下信息 以便你之後反向觀察 那麼這個記錄儀就必須是準確的 爲了準確感知電子的反衝力 擋板必須被限定在一個極小的動量的誤差範圍內 但是根據不確定性原理 一旦你把擋板的動量這個誤差範圍給定死了 它的位置就會產生巨大的不確定性 當然這裏說的巨大的不確定性是針對電子這個尺度來說的啊 這種位置的飄忽不定會產生雜亂無章的相位差 即使你最後忍住不去讀那份記錄 擋板本身的這種物理上的不確定性就已經把干涉條紋給抖沒了 你不可能在不破壞波動性的前提下 在物理世界裏留下任何關於路徑的痕跡 只要你設計了一個裝置 讓這個痕跡存在 那干涉就被毀滅 喪心病狂的物理學家甚至還設計了一個量子擦除實驗 就是說 如果我們已經記錄了路徑信息 但是在我們去讀它之前 通過某種物理手段徹底的 永久的把這個記錄給抹除掉 只要電子還沒有撞到屏幕上 你猜怎麼樣 干涉條紋竟然還會重新出現 所以說自然界不在乎你知不知道 它只在乎信息是否依然存在於這個世界上 那剛纔我們說的這個延遲選擇和量子擦除實驗是兩個非常體現人類智慧的實驗 光是聽懂他們就非常的過癮 咱們有一期節目就叫 量子時間的因果律謎題 自我干涉實驗 延遲選擇實驗 量子擦除實驗 叫這個標題啊 專門把這件事給講明白了 非常推薦你去聽一聽 好 那我們繼續回到故事 第一回合 波爾證明了自然界是有一個保密協議的 他不允許你同時擁有魚和熊掌 愛因斯坦輸了第一局 但是他並沒有服氣 而是醞釀着第二輪進攻 我們再來看第二回合 光箱陷阱 三年之後 是1930年的第六屆索爾維會議 愛因斯坦又見到了波爾 這次他準備了一個新的挑戰 他打算用自己最擅長的能量和時間的關係徹底推翻波爾的理論 這裏咱們得稍微說一下 測不準原理呢 它不是一個模模糊糊的說法 說咱們這也測不準 那也測不準 不是這個意思啊 它其實是有非常嚴密的公式的 這個公式是由物理學家海森堡在1927年提出 可以寫成這樣的形式 很簡單啊 就是delta x乘以delta p大於等於2分之a之半 咱們來稍微解釋一下啊 剛纔我說的這個delta x這個delta它寫起來就是一個三角形 實際上它的標準讀音應該是delta 不過感謝我們的數學老師啊 大家都是讀delta 所以如果我說delta 你可能反倒不知道它是什麼意思啊 那我們就接着沿用物理老師的念法 這裏的delta x表示位置的不確定性 或者說是位置的誤差 位置的變量 如果這個delta x很小 就說明你非常確定這個粒子在哪 好 接着往下啊 我們剛纔說公式的左邊是delta x乘以delta p 這個delta p呢就是代表動量 動量呢就是質量乘以速度 你也可以把它理解成速度啊 更簡單一點 沒有關係 delta p代表動量的不確定性 或者說誤差 或者它的變量 如果delta p很小 說明你非常確定粒子運動的速度和方向 那麼公式左邊兩者相乘 大於右面的一個固定的數 這個數呢是2分之h bar 它叫做約化普朗克常數 一個h bar等於普朗克常數除以2π 所以這個公式也可以被寫成delta x乘以delta p大於等於4π分之h h就是普朗克常數 不過科學家們比較懶嘛 懶得寫那個π 所以就造了一個h bar這個字母 總之你知道公式的右側呢就是一個非常非常小 但是不等於0的常數 大概是1.05乘以10的-34次方 特別特別的小啊 好 那麼這個公式的意思就是兩個數的誤差相乘 大於或等於一個固定的常數 這也就是說它們的誤差有一個下限 你永遠沒有辦法突破這個極限 讓兩個誤差同時爲0 它們是相乘的關係 這也就意味着兩者的精確度是此消彼長的關係 你要讓delta x特別小 也就是位置的信息特別的準 那爲了讓乘積大於等於剛纔說的1.05乘以10的-34次方 delta p就會變得特別的大 才能保證二者的乘積足夠大 也就是說動量的不確定性就會變得特別的大 同時這個公式也告訴我們爲什麼只有在微觀世界纔會存在測不準原理 因爲h bar是一個非常非常小的數字 只要二者的誤差相乘比它大就可以 而在我們生活的宏觀世界 本來位置和動量就已經存在誤差 這兩個誤差值是遠遠比h bar要大的 所以測不準原理帶來的誤差變化在宏觀世界是可以忽略不計的 那麼我們說的動量和位置就是這麼一對互相測不準的數值 物理學中還有很多對其他的物理量也遵循這個原理 其中一對就是能量和時間 公式寫下來和剛纔那個是一樣的 ΔE就是能量的不確定性 乘以ΔT就是時間的不確定性 大於等於2分之h bar 實際上我們通過簡單的數學推演 就可以從位置與動量推演到能量與時間 換算幾次就行 那在這我們就不講推算的過程了 總之你知道下面這三件事 第一 能量和時間的測不準原理類似於位置和動量 你測量的時間越精準 也就是一件事所經歷的時間越短 那麼其中能量的變化就越模糊 如果時間精確到趨近於0秒 那麼能量的不確定性變化就會非常的大 甚至會趨近於無窮大 第二 能量和時間的誤差關係 在波爾代表的學派來看也是宇宙的固有規則 不是因爲我們的測量手段不夠精確造成的人爲誤差 第三 如果能推翻能量和時間的測不準原理 就可以推翻一切類似的測不準原理 那麼愛因斯坦的第二次進攻就是對能量和時間這對物理量發起的 這次愛因斯坦給波爾畫出了一個非常精巧的裝置 有這麼一個箱子 裏面裝滿了光子 箱子的壁上有一個小孔 這個小孔上有一個由時鐘控制的快門 箱子懸掛在一個彈簧秤上 我們可以很精準的稱出它的重量 接下來愛因斯坦的進攻就開始了 第一步 我們先稱出箱子的初始重量 把這個數字記下來 第二步 我們設置好時鐘 讓這個快門在某個極其精準的時間點開啓極短的一瞬間 這個一瞬間剛好夠放出一個光子 然後迅速的關閉這個快門 第三步 我們再次稱重 通過愛因斯坦最著名的公式E等於mc方 箱子減少的質量就代表了那個飛出去的光子的精確的能量 愛因斯坦看着波爾說 你看 我現在既有極其精確的時間 又有極其精準的能量 能量和時間的不確定性原理不就失效了嗎 那天的場面非常有戲劇性啊 當時的物理學家回憶說 波爾臉色煞白 在會場裏不斷的走來走去 對每個人都念叨着 如果愛因斯坦是對的 那物理學就完蛋了 那一晚波爾又是整夜沒睡 他坐在書桌前 盯着愛因斯坦畫的那個箱子草圖 一遍又一遍的在腦海中計算每一個細節 不過當第二天太陽昇起的時候 波爾重新出現在餐廳裏 他不僅恢復了往常的鎮定 甚至還帶着一種看透真相之後的喜悅 波爾反擊的武器竟然是愛因斯坦最得意的成就 廣義相對論 他指出 愛因斯坦在思考的時候漏掉了一個關鍵的物理過程 那就是箱子的位移 當一個箱子跑出去之後 箱子變輕了 因爲它要掛在一個彈簧上或者是類似的裝置上才能夠稱重 這個稱重的過程中 箱子就會往上移動一點點 那麼根據愛因斯坦的廣義相對論 物體在引力場中的位置發生變化的時候 它所經歷的時間流逝速度也會發生改變 這個就是引力紅移效應 我們看《星際穿越》這個電影裏看到的就是這麼一個場景啊 幾個宇航員去到距離黑洞很近的星球表面 這個時間的流速就會發生變化 那麼在這個實驗裏 當光子飛走 箱子變輕 向上彈起了一點點 這就意味着箱子從引力比較強的一個點移動到了引力比較弱的一個點 就是離我們的地球地心遠了一點嘛 哪怕只是移動了極其微小的距離 根據廣義相對論 箱子上那個時鐘的走速也會發生微小的改變 那麼既然時鐘的走速變了 我們測到的那個所謂的快速開啓快速關閉的那個快門的時間就不再是絕對精準的 它產生了一個不確定性 delta t 這個物理學過程你還真別覺得陌生而遙遠啊 其實我們每天都在使用的GPS導航用的就是這個原理 GPS衛星在距離地面2萬公里的高空 那個地方的引力就比地面要弱 由於引力變弱 衛星上的時鐘每天要比地面上的時鐘快大概45微秒 當然這裏面還有廣義相對論的時間加速效應 以及狹義相對論的時間減速效應的對沖啊 總之綜合算下來就是45微秒的時間差 這45微秒雖然看起來很短 但是光速快啊 如果不修正這個時間差 GPS定位的誤差每天就會積累超過10公里 所以你看這個原理就在我們的身邊 愛因斯坦當年設計這個光箱的時候只是把它當成一個純粹的量子力學問題 他完全忘記了他自己發現的引力會彎曲時間的理論 正好堵死了那個邏輯的漏洞 我覺得愛因斯坦在這裏犯了一個所有普通人都會犯的錯誤 那就是一旦我們討論的問題範疇來到了微觀的量子領域 就會有很多我們在宏觀世界可以忽略不計的物理量或者一些行爲會在這個世界變得非常的重要 比如說我們日常說看一個東西 那就只是看而已 肯定不會對這個東西本身產生什麼影響 對吧 但我們要看一個東西 至少要有一束光射到它上面 再反射到我們眼睛裏 那麼如果我們觀察的是一個電子 那這束光對它來說可就是個龐然大物 早就把它撞飛了 廣義相對論的引力紅移效應本來也是用來計算超大引力下的時間變化的 那麼愛因斯坦在提出這個思想實驗的時候就本能的把這個效應給忽略不計了 但是聽了咱們前面關於測不準原理的那個公式 你就知道 二者的不確定性相乘大於等於的是一個非常非常小的數字 它比普朗克常數還要小 那麼在這個環境下 一切在宏觀世界中可以忽略不計的物理量都變得不能再忽略不計了 這場爭論最後的絕殺還是回到數學上 波爾通過複雜的數學推算證明 這個由於引力造成的時間誤差delta t與測量質量帶來的能量誤差delta e 兩者的乘積恰好符合海森堡的不確定性原理 相對論和量子力學兩個看起來遙不可及的理論 在這一刻的數學公式上竟然發生了驚人的巧合 愛因斯坦愣住了 他用盡心機設計的陷阱 最後驚人因爲自己發明的相對論而失效 據說他當時一言不發陷入了長久的沉思 這是他在智力對決中受到的最沉重的一次打擊 你要知道 物理學家們都篤信數學 就連愛因斯坦也意識到這種數學上的巧合一定存在某種意義 所以在那之後 愛因斯坦的觀點從量子力學是錯誤的轉變爲量子力學是不完備的 換句話說 愛因斯坦退了半步 不是說你全不對 而是說你不全對 這一點很重要 我們一會還會再說到 1930年之後的愛因斯坦似乎變得平和了很多 他不再試圖在會議上當面的刁難波爾 而是搬到了美國普林斯頓的高等研究院 在一間安靜的辦公室裏靜靜的思考 當然 這位已經50多歲的老人不會就此善罷甘休 正如暴風雨前的寧靜 在他的腦中正在籌劃一場更加釜底抽薪的攻擊 而這最後一輪的攻擊幾乎讓整個量子力學的體系徹底崩塌 我們接下來就來說說第三回合 伊皮阿爾雅謬和量子糾纏 1935年 愛因斯坦和兩位年輕的同事波多爾斯基和羅森聯名發表了一篇論文 這個就是物理學史上最著名的三巨頭論文 量子力學對物理實在的描述能被認爲是完備的嗎 這篇論文提出的思想實驗是如此的重要 以至於後人用三位作者的名字的首字母給實驗單獨命名 那就是著名的伊皮阿爾雅謬 這裏我們還是要說一下 愛因斯坦說的這個不完備到底是什麼意思 他的意思是說 沒錯 現在量子力學很多的理論是符合實驗結果的 哥本哈根學派提出的概率計算方法也確實很好用 測不準原理在絕大多數時候也沒有問題 但是世界上還是存在於獨立於觀測者的客觀的物理因素 比如說某個電子它有確定的動量和位置 只不過我們測不出來 那麼當前的量子力學既沒有辦法解釋這一點 也沒有辦法計算這一點 所以量子力學是不完備的 這裏面這個電子有確定的動量和位置 就是愛因斯坦一直堅守的客觀實在性 愛因斯坦堅守的另一個原則叫做定域性 這個名字不太好理解 其實他說的就是兩個物體之間不能以超光速傳遞信息 對物體的影響因爲光速的存在會被限定在一個區域 這就是定域性的意思 EPR揚命就是這樣的一個思想實驗 在同時保證定域性和實在性的前提下挑戰玻爾的理論 現在我們假設空間中的一個粒子分裂成了兩個粒子 朝着不同的方向飛去 根據守恆定律它們的總動量是確定的 它們的相對距離也是確定的 現在我們假設粒子A飛到了地球 粒子B則是飛到了極光年之外的織女星 這時候如果我測量粒子A的動量 那麼由於動量守恆 我就能瞬間精準的推算出粒子B的動量 而因爲我沒有碰粒子B就知道了它的動量 按照愛因斯坦的定義 粒子B的動量就是一個物理的實在性 我如果不去測A的動量而是改爲測A的位置呢 同理我也能瞬間反推出B的位置 那麼B的位置也是一個物理實在性的要素 愛因斯坦認爲 既然我可以通過測量A來確定B的動量或者位置 而這兩次測量對於遙遠的B來說都沒有任何的物理干擾 那麼B的動量和位置一定在測量之前就同時存在了 以前我聽過很多描述EPR的內容 說實話都不是特別的滿意 這裏不知道你會不會和我有同樣的疑問 我的問題是這樣的 你看愛因斯坦的這個思想好像是有問題 他還是沒能同時測量到粒子A的位置和動量 一旦測量了它的動量 那粒子A的位置不也就變得更加不確定了嗎 那我們怎麼可能通過粒子A不確定的位置反推出粒子B的位置呢 那如果推算不出來 粒子B不也就滿足了測不準原理嗎 如果你也有這個質疑那你是對的 只不過我們要弄清楚 愛因斯坦在論文裏說的不是測不準原理不對 我們再強調一遍 愛因斯坦說的是他不完備 愛因斯坦承認在實驗操作上 你確實不能同時測出粒子A的位置和動量 它的核心邏輯不在於測量 而是在於實在性的定義 我們來說說啊 根據定義性的定義 剛纔我們說了定義性就是A對B的影響不能超光速 那麼我對A做任何事 都不可能在瞬間物理性的改變B的狀態 而什麼是實在性呢 實在性的判定是 只要我不用幹擾一個物體 我就可以在理論上確定的預言它的某個物理量 那麼這個物理量就是獨立於我客觀存在的 也就是說如果我測量A的動量 理論上能推算出B的動量 那B的動量就必須是真實的 只是我還沒有去推算 如果我測量A的位置 理論上能算出B的位置 那B的位置就必須是真實的 只是我還沒推算 這就好比盒子裏有一隻手套 它可能是紅色的 也可能是綠色的 我的判定方法是 只要打開這個盒子 馬上就能知道結果 那麼我不用真的打開盒子來判斷這個結果 盒子裏的手套要麼紅要麼綠 已經確定性的等在那裏了 這個就是愛因斯坦所說的客觀實在性 測量粒子A只是像揭開底牌一樣 揭示了粒子B的某種屬性 既然B的位置和動量都預先存在 但是量子力學的波函數 卻沒有辦法同時描述這兩個值 那麼恰恰說明 量子力學這套測不準的理論 一定漏掉了一些信息 所以愛因斯坦說它是不完備的 我希望我能把這個事講清楚了 那麼上面這個是EPR揚鑣的完整版本 你肯定也知道 我們光是把它搞明白就已經比較燒腦了 所以這個版本肯定是不利於傳播 後來廣爲傳播的是這個實驗的簡化版本 既然愛因斯坦提出的核心矛盾 就是實在性和定義性 那我們就把什麼測不準原理都先放在一邊 也不整位置和動量這兩對物理量了 我們就保留一個最容易理解的物質性質 這個簡化版的實驗 說的還是一個粒子分成了兩個 朝兩邊飛去 這次我們只觀察一個物理量 就是這個粒子的自旋方向 根據動量守恆 如果其中一個粒子的自旋是向上的 那麼另外一個粒子的自旋必定是向下的 在量子力學看來 在它們還沒有被觀測之前 這兩個粒子都處於又上又下的疊加態種 就像薛定諤的貓一樣又死又活 等它們飛得足夠遠 如果在地球上的我觀察了粒子A 發現它的自旋是向上的 也就是粒子A的疊加態在這一刻坍縮了 那麼此刻我就知道 粒子B肯定是自旋向下的了 但是粒子B這個時候還沒有被觀察 它也不知道A被觀察了 如果按照量子力學的說法 那它還是應該保持疊加態 但我這時候已經知道B的自旋狀態了 也就是說量子力學的理論 在此刻沒有辦法描述B的狀態 所以量子力學是不完備的 總之基於這樣的實驗 愛因斯坦提出量子力學只是一個過渡的理論 背後應該有一套更加完備的引變量的理論 只不過我們還沒有發現 革命尚未成功 年輕人們還要繼續努力 那麼波爾是怎麼回應的呢 他乾脆寫了一篇同名的論文 正面回應了愛因斯坦的攻擊 他沒有說實在性和定義性這兩者我們選哪個 而是乾脆把這兩者都給否定了 說實話 我覺得波爾的回應是有那麼一點玄學的味道了 首先是關於實在性 波爾認爲愛因斯坦對物理實在的定義太狹隘了 他指出你不能把粒子和測量儀器分開來看 當你準備測量A的動量的時候 你必須使用一套特定的儀器 比如說帶孔的擋板和測量充量的彈簧 這個時候整個的系統就是粒子A加粒子B加上你的測量儀器 甚至加上你用於測量的那套方法和你的大腦 這一整套系統就處在動量語言的描述下了 而如果你要測量的是位置 那麼整個系統就處在位置語言的描述下了 他認爲並不存在一個離開了測量儀器而完全獨立存在的粒子B 在量子世界測量方式和物體是不可分割的整體 這套說法別說是在當時 放到今天也是很多人非常難以理解的 我打個比喻幫助你理解一下 這就好比我們要觀察一個物體的顏色 那就得引入一個光源 比如說太陽光 我們還得引入一雙眼睛 而且人的眼睛和蜜蜂的眼睛看同一束光的感受也是不一樣的 所以我們必須說清是要引入什麼物種的眼睛 所以當我們說觀察顏色的時候 完整的描述應該是在正午的日光下 由一個視覺細胞正常的人類來觀察物體的顏色 你不能說撇開光源不談 撇開觀察者不談 撇開我們的實驗方法不談 這個物體本來是什麼顏色的 這個描述是沒有意義的 波爾的意思就是 在微觀的物理世界 只要沒有定義好觀察這個行爲 那麼像是動量 旋轉的方向 位置等等這些信息 都像是一個物體本來的顏色一樣 也是沒有意義的 那麼說完對於實在性的反駁 接下來就是關於定義性的回應 這就有點更玄學了 波爾主張 兩個糾纏的粒子 即使相距一光年 一百光年 它們在被測量之前 仍然是一個不可分割的整體 有同一個波函數描述 並沒有什麼 粒子A告訴粒子B 該變成什麼狀態這樣一個過程 因爲A和B 是一個不可分割的整體 這種關聯不是力的作用 也不是什麼信號的傳遞 它就是量子力學內在的非定義性 你看 波爾爲了反駁愛因斯坦的定義性 乾脆造出了一個詞 就是非定義性 換個說法 當我們觀察粒子A的時候 不管背後的原理是什麼 不管波爾的玄學是不是對的 總之 粒子B 就是會在一瞬間 從疊加態 坍縮成正確的狀態 A和B無論離開多遠 都會緊密的糾纏在一起 對 比起波爾說的非定義性 這個說法 更被後來的人們所熟悉 那就是大名鼎鼎的 量子糾纏 那麼我們還是要說 波爾是不是乾脆反駁了狹義相對論呢 因爲相對論認爲 任何物質的運動速度都不能超過光速 任何信息的傳遞速度也不能超過光速 實際上並沒有 你不能通過量子糾纏來傳遞實在的信息 要傳遞信息 發送者 也就是在A點的你 必須能夠控制接收者 就是在B點的那個朋友 看到什麼結果 但是在量子糾纏中 你沒有辦法控制這一點 我們假設 你想利用糾纏的粒子 它的自旋上或者自旋下 來發一個電報 如果你測量A爲上 那麼B就會瞬間變成下 這沒有問題 問題在於 你測量A的時候 結果是隨機的 你沒有辦法強迫A一定出現上 反過來 在B點的朋友看他的粒子 結果也是隨機的 那麼你和他只能通過傳統的方式 比如說打電話發郵件 來對比數據 但你們要對比這個數據 這個過程中傳遞的信息 就被光速所限制了 物理定律允許波爾的這種整體性的存在 因爲它並不破壞時間上的因果率 也沒有讓任何的信息 超越光速來傳遞 但是無論如何 這樣的說法肯定是沒有辦法說服愛因斯坦的 相信你也能聽出來 其實這兩位科學巨匠 這個時候爭論的 已經不是什麼物理學問題或者數學問題 而是一個哲學問題了 因爲在1935年 誰也沒有辦法真的把一對糾纏的粒子 拉開足夠遠的距離去做實驗 愛因斯坦就在他人生的最後 成爲了一位孤獨的年老的戰士 直到他帶着遺憾離開人世 都不相信一個沒有客觀實在的 充滿幽靈感應的宇宙 我們的故事還沒有走到真正的終點 兩位巨人去世之後的幾十年裏 每個科學家心裏都有一個夢想 就是能不能徹底搞清楚 波爾和愛因斯坦到底是誰錯了 1964年 北愛爾蘭的物理學家約翰·貝爾 提出了著名的貝爾不等式 把這個問題的爭論 從哲學層面轉移到了數學層面 具體的公式咱們不說了 簡單來說 貝爾通過概率推算證明 如果愛因斯坦是對的 兩個粒子的行爲是提前定好的 也就是局部實在論是真實的 那麼在不同的測量情況下 兩個粒子表現出的相關性的一個數值 必須小於或者等於2 而如果貝爾的量子力學是對的 那麼在某些特定的情況下 糾纏的粒子所表現出來的相關性 最大的值可以達到2乘以√2 大概就是2.82 那麼這下我們就不用爭論 上帝他到底值不值頭子了 我們只要去看實驗的結果 到底是小於等於2 還是大於2 那麼既然哲學問題變成了數學問題 就可以做實驗了 之後的故事發展的就很快了 隨着實驗設備越來越精密 兩個粒子飛離彼此的距離 能被控制的越來越長 一系列的實驗結果 都做出了無情的宣判 1972年的克勞澤實驗 1982年的阿斯佩實驗 1997年的蔡林格與多粒子糾纏實驗 給出的結果都完全一致 波爾是對的 愛因斯坦錯了 直到2015年 荷蘭戴爾福特理工大學這個團隊 聯合完成了無漏洞貝爾實驗 他們在相距1.3公里的兩個實驗室之間 利用電子的自旋進行測試 同時關閉了所有的已知的物理學漏洞 實驗結果 徹底封死了局部實在論的最後一次希望 也給這場世紀大爭論 畫上了句號 今天我們中國的 莫子號量子衛星 已經在上千公里的外層空間尺度上 一次又一次的驗證了量子之間的糾纏 今天我們不僅是證明了它 而是在利用它了 自然界真的存在幽靈般的超距作用 粒子之間確實存在某種超越空間 甚至超越時間的深層的關聯 波爾曾經動情的說 沒有愛因斯坦 他就不會理解 量子力學到這樣的深度 而在愛因斯坦去世之後 波爾也反覆強調 自己一生中所有的思考 都是在潛意識裏 試圖說服那位老朋友 愛因斯坦和波爾 吵了一輩子 也算是彼此敬重了一輩子 人們發現在波爾臨終前的那間房子的黑板上 最後留下的 依然是愛因斯坦當年那個光槍實驗的草圖 我經常覺得 愛因斯坦和波爾就像是 人類理性思維的兩面鏡子 愛因斯坦代表了古典主義的尊嚴 他要求宇宙必須是絕對客觀的 不以人的意志爲轉移的 所以每當我聽人說 愛因斯坦的相對論否定了牛頓物理 我都會想起這段往事 我猜世界上沒有人在像愛因斯坦那樣 固執無比的 深愛着牛頓那個充滿確定性 像鐘錶一樣精密運轉的宇宙了吧 而波爾則是代表了現代主義的激進 他教會我們 要卑微的承認人類認知的極限 我們不要去教宇宙做事 更別指望宇宙所有的運行規律 都是可以被我們理解的 科學要往前走 就要離開童年 就要學會與模糊和概率共處 和這種鬼魅一般的量子糾纏共處 在最微觀的物理本質上 如果沒有人在看這個宇宙 那麼宇宙就只能是一場 巨大的各種可能性交織在一起的夢境 是我們的觀察 讓這場夢境探索成了 今天看到的實實在在的世界 仔細想一想這是一種多麼瘋狂的世界觀 我覺得波爾那群人的思想 直到今天還是會震顫我們的心靈 這個宇宙最讓人費解的地方就在於 它竟然是可以被理解的 而它最迷人的地方則在於 每當我們覺得自己已經理解了它 它總會拋出一個更加深邃的謎題 推翻我們所有的傲慢