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科學(xué)思想或理論很少能從根本上改變我們對現(xiàn)實(shí)的看法,。聯(lián)合國已宣布 2025 年為國際量子科學(xué)技術(shù)年,，我們正慶祝這一革命性時(shí)刻。這標(biāo)志著量子力學(xué)誕生一百周年,，該理論始于 100 年前的大量論文,。如果沒有查爾斯·達(dá)爾文的進(jìn)化論，我們就不可能理解現(xiàn)代生物學(xué)，我們對物理世界的根本理解現(xiàn)在也植根于量子原理?，F(xiàn)代物理學(xué)就是量子物理學(xué),。 量子這個(gè)詞指的是物質(zhì)吸收或釋放能量的方式——以離散包或量子的形式。它在物理學(xué)中的使用來自德語單詞quant,，該詞源于拉丁語,，意為“多少”。1900 年左右,，馬克斯·普朗克和阿爾伯特·愛因斯坦等物理學(xué)家開始以一種臨時(shí)的方式描述為什么一些亞原子領(lǐng)域的現(xiàn)象無法用艾薩克·牛頓等人在兩個(gè)世紀(jì)前發(fā)展的經(jīng)典力學(xué)來解釋,。隨后，在 1925 年,，量子開始被用來描述一種全新形式的力學(xué)的基本原理——物理學(xué)的一個(gè)分支,，描述力和物理對象運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。 正如科學(xué)史學(xué)家克里斯蒂安·卡米萊里 (Kristian Camilleri) 在一篇關(guān)于那一年及之后的驚人發(fā)展的論文中所描述的那樣,，物理學(xué)家維爾納·海森堡 (Werner Heisenberg) 于 1925 年夏天前往德國北海的黑爾戈蘭島 (Heligoland),，尋求緩解嚴(yán)重的花粉癥。此后不久,，他向Zeitschrift für Physik雜志提交了一篇論文,，其標(biāo)題翻譯為“關(guān)于運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)關(guān)系的量子理論重新解釋”( W. Heisenberg Z. Physik 33 , 879–893; 1925 )。這促使海森堡和他的親密合作者在接下來的幾個(gè)月里進(jìn)行了進(jìn)一步的研究,，以及埃爾溫·薛定諤使用另一種方法進(jìn)行的工作,。 這場革命并非始于物理學(xué)家拋棄經(jīng)典力學(xué)定律，而是他們對能量和動(dòng)量等經(jīng)典概念的徹底重新詮釋,。然而,，這場革命確實(shí)要求發(fā)起者放棄他們所珍視的常識(shí)性觀念 — — 例如，期望粒子等亞原子物體在任何給定時(shí)間都有明確的位置和動(dòng)量,。相反,，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)自然現(xiàn)象本質(zhì)上具有不可知的性質(zhì)。換句話說,，經(jīng)典物理學(xué)只是現(xiàn)實(shí)的一種近似表示,，并且只在宏觀層面上體現(xiàn)出來。一個(gè)世紀(jì)過去了,，這種對物理世界本質(zhì)的洞察仍然讓人興奮不已,，也讓人困惑不已,。許多《自然》雜志的讀者都知道,，量子貓既活著又死去，它們提出的哲學(xué)難題,，以及圍繞量子計(jì)算而發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè),。 其他人會(huì)知道量子思想如何催生了通過互聯(lián)網(wǎng)電纜傳輸信息的激光器，以及為電子芯片提供處理能力的晶體管。但量子思想也塑造了我們對自然界各個(gè)層面的理解,，解釋了為什么固體不會(huì)分崩離析,，以及恒星如何發(fā)光并最終消亡。 量子年未來 12 個(gè)月,，世界各地都在籌劃紀(jì)念活動(dòng),。這些活動(dòng)包括2 月份在巴黎聯(lián)合國教科文組織總部舉行的聯(lián)合國年開幕式；3 月份在加利福尼亞州阿納海姆舉行的美國物理學(xué)會(huì)會(huì)議上的特別活動(dòng),；以及 6 月份在黑爾戈蘭島為物理學(xué)家舉辦的研討會(huì),。組織者的共同目標(biāo)是不僅慶祝量子力學(xué)百年誕辰，而且慶祝過去一個(gè)世紀(jì)中量子力學(xué)產(chǎn)生的科學(xué)和應(yīng)用,，并探索量子物理學(xué)如何在下個(gè)世紀(jì)帶來進(jìn)一步的變革,。 今年 5 月，最初提議聯(lián)合國將 2025 年定為量子科學(xué)年的國家加納將在庫馬西舉辦一場關(guān)于該主題的國際會(huì)議,。8 月,，科學(xué)史學(xué)家將在巴西薩爾瓦多慶祝量子世紀(jì)。 這次會(huì)議將是一個(gè)為期20 年的研究項(xiàng)目的高潮,，該項(xiàng)目旨在重新審視量子理論的發(fā)展,。明尼阿波利斯明尼蘇達(dá)大學(xué)的歷史學(xué)家 Michel Janssen 表示，這項(xiàng)工作的一個(gè)主要目標(biāo)是確定一群科學(xué)家的貢獻(xiàn),，其中許多人——尤其是女性——在該領(lǐng)域的歷史上尚未得到認(rèn)可,。 加拿大多倫多約克大學(xué)歷史學(xué)家丹妮拉·莫納爾迪說，這些“隱藏的人物”包括露西·門辛,，她與海森堡同屬一個(gè)小組,，并研究出了海森堡量子力學(xué)理論的一些早期應(yīng)用。今年最值得關(guān)注的事件之一將是出版一本傳記集,，其中收錄了 16 位女性的論文,，即《量子物理學(xué)史上的女性》。 盡管量子革命已經(jīng)帶來了諸多成果,，但它仍有許多未竟之事,。在研究人員奠定量子力學(xué)基礎(chǔ)的幾年里，他們也開始從量子基礎(chǔ)重建其他物理學(xué)分支,，如電磁學(xué)和物質(zhì)狀態(tài)研究,。他們還試圖將理論擴(kuò)展到接近光速移動(dòng)的物體，這是最初的量子理論所沒有的,。這些努力大大擴(kuò)展了量子科學(xué)的范圍,，并促使研究人員開發(fā)出粒子和場的標(biāo)準(zhǔn)模型，這一過程最終在 20 世紀(jì) 70 年代完成,。 標(biāo)準(zhǔn)模型取得了令人難以置信的成功,，并在 2012 年發(fā)現(xiàn)了其關(guān)鍵的基本粒子希格斯玻色子。但這些擴(kuò)展的理論基礎(chǔ)不如量子力學(xué)那么牢固，并且留下了一些無法解釋的現(xiàn)象,，例如“暗物質(zhì)”的性質(zhì),，它似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙中常規(guī)可見物質(zhì)。此外,，引力這一重要現(xiàn)象仍然無法量化,。 量子物理學(xué)的其他概念問題仍未得到解決。特別是,，研究人員努力理解當(dāng)實(shí)驗(yàn)將量子對象的模糊概率“壓縮”為一個(gè)精確測量值時(shí)究竟會(huì)發(fā)生什么,，這是創(chuàng)造我們所生活的宏觀世界（仍然是無情的經(jīng)典）的關(guān)鍵一步。在過去的幾十年里,，研究人員一直在開發(fā)將這些量子現(xiàn)實(shí)的怪癖轉(zhuǎn)化為有用技術(shù)的方法,。由此產(chǎn)生的計(jì)算、超安全通信和創(chuàng)新科學(xué)儀器方面的應(yīng)用仍處于起步階段,。 量子理論不斷進(jìn)步,。今年是一個(gè)值得慶祝的機(jī)會(huì)，讓廣大公眾意識(shí)到量子物理在他們生活中的作用——并激勵(lì)未來的一代人,，無論他們是誰,，無論他們身在何處，為下一個(gè)量子世紀(jì)做出貢獻(xiàn),。機(jī)構(gòu)編號: https:///10.1038/d41586-025-00014-5第二篇 Nature：量子力學(xué)是如何在一百年前的幾個(gè)月內(nèi)誕生的德國黑爾戈蘭島,，維爾納·海森堡在此撰寫了突破性的量子理論論文。圖片來源：Getty1925 年 7 月,，一位 23 歲的德國物理學(xué)家向《物理學(xué)雜志》提交了一篇論文1,，題為“關(guān)于量子理論對運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)關(guān)系的重新解釋”。維爾納·海森堡文章的發(fā)表可以說是開啟量子力學(xué)現(xiàn)代時(shí)代的一個(gè)時(shí)刻,，從而引發(fā)了我們對物理學(xué)基本理解的驚人革命,，其影響一直持續(xù)到今天。聯(lián)合國宣布 2025 年為國際量子科學(xué)技術(shù)年,，這在很大程度上是因?yàn)?100 年前開始以驚人的速度展開的事件,。海森堡的論文大膽嘗試，試圖找到一種方法擺脫困擾原子光譜（原子發(fā)射和吸收的光的頻率和振幅）解釋工作的難題,。他爭論的焦點(diǎn)是玻爾-索末菲原子模型,，該模型以兩位物理學(xué)家尼爾斯·玻爾和阿諾德·索末菲的名字命名，他們于 20 世紀(jì) 10 年代開發(fā)了該模型,。該模型是后來被稱為舊量子理論的核心,，而舊量子理論本身是 20 世紀(jì)初人們認(rèn)識(shí)到古典物理學(xué)的原理不足以解釋亞原子現(xiàn)象的觀察的產(chǎn)物。然而,，可以通過臨時(shí)假設(shè)能量以離散包的形式出現(xiàn)：量子,，來彌補(bǔ)這一空白。玻爾-索末菲模型假設(shè)電子在一定的量化條件下繞原子核以橢圓軌道運(yùn)動(dòng),，從而提供了一套規(guī)則,，用于選擇經(jīng)典系統(tǒng)（在氫原子中，電子繞質(zhì)子旋轉(zhuǎn)）的某些“允許”軌道,，并得出與觀測到的能譜一致的計(jì)算值,。該模型成功地解釋了氫原子的光譜（僅由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成）以及在施加電場（斯塔克效應(yīng)）或磁場（普通塞曼效應(yīng)）的情況下譜線的分裂。但在處理氫分子和具有多個(gè)電子的原子時(shí),，它遇到了許多問題,。1923 年，海森堡加入德國哥廷根大學(xué)理論物理研究所,，擔(dān)任理論物理學(xué)家馬克斯·玻恩的助手時(shí),，就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問題。他和玻恩利用玻爾-索末菲模型允許的所有軌道,，對氦原子的光譜進(jìn)行了一系列詳細(xì)計(jì)算,，但結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察不一致。他們最初懷疑問題出在計(jì)算方法上,，但很快被更根本的疑慮所取代,。玻恩寫道2 “越來越有可能的是，不僅需要從物理假設(shè)的角度提出新的假設(shè),，而且整個(gè)物理學(xué)概念體系都必須從頭開始重建,。”1923 年 12 月,，海森堡在寫給他的老老師索末菲的信中指出：“所有模型表述都沒有真正的意義,。軌道無論是關(guān)于頻率還是能量都是不真實(shí)的?！?/span>海森堡并不是唯一一個(gè)表達(dá)這種懷疑的人,。他的朋友兼通信頻繁的沃爾夫?qū)づ堇苍絹碓较嘈烹娮釉谲壍郎线\(yùn)動(dòng)的想法是站不住腳的，他在 1924 年 12 月告訴索末菲,，“我們所說的語言不足以描述量子世界的簡單性和美麗,。”然而,，沒有軌道模型,，如何繼續(xù)下去還不清楚。直到 1925 年 4 月,，海森堡還寫道,，“在目前的量子理論中，人們必須依靠符號化的,、模型狀的圖像,，這些圖像或多或少是建立在經(jīng)典理論中電子的機(jī)械行為之上的” 3,。幾個(gè)月后，海森堡在德國北海黑爾戈蘭島尋求花粉癥緩解時(shí),，提出了一個(gè)更為激進(jìn)的方案,。海森堡沒有建立基于電子以大致經(jīng)典的方式沿明確定義的軌道移動(dòng)的原子模型，而是決定發(fā)展一種創(chuàng)新的運(yùn)動(dòng)理論,，即“量子力學(xué)”,，在這種理論中，電子不再被視為沿連續(xù)軌跡移動(dòng)的粒子,。7 月 9 日,，他寫信給泡利說：“我所有的努力都是為了徹底消滅軌道概念——反正軌道是無法觀察到的?！边@是與經(jīng)典力學(xué)的決定性決裂,。 維爾納·海森堡，攝于 1925 年,。圖片來源：Corbis via Getty
在幾周后提交的論文1中,，他著手“建立理論量子力學(xué)的基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)完全建立在原則上可觀察的量之間的關(guān)系上”,。海森堡根據(jù)周期系統(tǒng)的經(jīng)典運(yùn)動(dòng)方程制定了電子運(yùn)動(dòng)方程,。它取代了位置和動(dòng)量等量，包括可觀察能量和躍遷振幅（原子從一個(gè)量子態(tài)躍遷到另一個(gè)量子態(tài)的概率）的復(fù)雜陣列,。這一策略更多的是出于絕望,，而非哲學(xué)信念。正如海森堡在論文導(dǎo)言中所解釋的那樣,，考慮到處理含有多個(gè)電子的原子的復(fù)雜性,，“放棄觀察迄今為止無法觀察的量（如電子的位置和周期）的所有希望似乎是明智的”。然而,，很難看出消除不可觀測量將如何指導(dǎo)理論的進(jìn)一步發(fā)展,。在理論能夠描述諸如碰撞和自由粒子運(yùn)動(dòng)等現(xiàn)象之前，它必須包括能量和躍遷振幅之外的其他量,。除此之外,，甚至不清楚哪些量應(yīng)該被視為不可觀測量。例如,，電子位置在 1927 年被重新承認(rèn)為可觀測量,。正如玻恩幾十年后所反思的那樣，消除不可觀測量的想法在 1925 年聽起來很合理,，但在實(shí)踐中,，這種“籠統(tǒng)而模糊的表述是毫無用處的，甚至具有誤導(dǎo)性”,。務(wù)實(shí)的考慮是海森堡物理學(xué)的核心,。他經(jīng)常嘗試各種想法,，直到找到一個(gè)可行的想法——這種方法非常適合這種概念混亂的時(shí)期。哲學(xué)原理通常被用作克服僵局的手段,，或最后的手段,，當(dāng)它們不再有用時(shí)就可以丟棄。正如玻恩后來指出的那樣,，哲學(xué)原理對在職物理學(xué)家的真正價(jià)值只能根據(jù)它們在產(chǎn)生結(jié)果方面的相對有用性來判斷,。矩陣還是波,？海森堡堅(jiān)持認(rèn)為,，只有“更深入的數(shù)學(xué)研究”才能揭示他在 7 月論文中使用的方法是否“令人滿意”。隨后幾個(gè)月,，波恩和帕斯夸爾·喬丹在哥廷根完成了這項(xiàng)工作,。他們意識(shí)到海森堡方程中出現(xiàn)的量可以表示為矩陣（當(dāng)時(shí)大多數(shù)物理學(xué)家都不熟悉的數(shù)學(xué)形式），因此他們用矩陣重新表述了理論,。他們創(chuàng)新的“矩陣力學(xué)”在一篇長篇論文4中進(jìn)行了闡述,，這篇論文通常被稱為Dreim?nnerarbeit（三人論文），由波恩,、海森堡和喬丹于 1925 年 11 月提交,。但這個(gè)模型是有代價(jià)的。正如作者所解釋的那樣,，新理論“的缺點(diǎn)是不能直接用幾何可視化的解釋來解釋,，因?yàn)殡娮拥倪\(yùn)動(dòng)不能用熟悉的空間和時(shí)間概念來描述”。盡管玻恩和約當(dāng)沉迷于抽象,，但海森堡在 1925 年 6 月寫給泡利的一封信中不禁想知道“運(yùn)動(dòng)方程的真正含義”,。泡利在當(dāng)年 12 月使用該方案成功計(jì)算了氫原子光譜5，這被廣泛認(rèn)為是對這一努力的證明,。但大多數(shù)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)很難接受深?yuàn)W的數(shù)學(xué),。幾個(gè)月后，即 1926 年上半年,，一種完全不同的方法出現(xiàn)了,，這讓人松了一口氣。這是瑞士蘇黎世大學(xué)的埃爾溫·薛定諤6在《物理學(xué)年鑒》上發(fā)表的一系列開創(chuàng)性論文,。在薛定諤看來,，電子運(yùn)動(dòng)無法在時(shí)空中描述的想法是對物理學(xué)家責(zé)任的放棄，等于放棄了理解原子內(nèi)部運(yùn)作的所有希望,。薛定諤堅(jiān)持認(rèn)為,，這種理解是可能的。在其中一篇論文的腳注中,，他承認(rèn)他“討厭”哥廷根對量子力學(xué)的方法,，相反,，他建立了一個(gè)波動(dòng)方程，這使他能夠計(jì)算氫原子的能態(tài),。對薛定諤來說,，這有望更直觀地理解量子態(tài)是“原子內(nèi)的振動(dòng)過程”。他提出,，電子可以被視為波,，電荷在三維空間中連續(xù)分布，而不是在軌道上運(yùn)動(dòng)的粒子,。海森堡對此不以為然,。在參加德國慕尼黑的一次學(xué)術(shù)研討會(huì)后，薛定諤在會(huì)上介紹了他的理論,。海森堡向泡利抱怨說,，波動(dòng)理論無法解釋大量量子現(xiàn)象，包括光電效應(yīng)（金屬表面受光照時(shí)會(huì)發(fā)射電子）和斯特恩-格拉赫效應(yīng)（原子束在穿過空間變化的磁場時(shí)會(huì)以兩種方式之一偏轉(zhuǎn)）,。此外,，描述多粒子系統(tǒng)需要抽象多維空間中的波函數(shù)。波函數(shù)無疑是一種有用的計(jì)算工具,，但它似乎無法描述任何類似真實(shí)波的東西,。海森堡在 1926 年 6 月寫道：“即使能夠開發(fā)出通常三維空間中一致的物質(zhì)波動(dòng)理論，它也很難用我們熟悉的時(shí)空概念對原子過程進(jìn)行詳盡描述,?！?7在接下來的一年里，薛定諤勇敢地嘗試為他的波動(dòng)力學(xué)找到令人滿意的物理解釋,，但無濟(jì)于事,。1927 年 10 月，在布魯塞爾舉行的第五屆索爾維會(huì)議上,，他再次表達(dá)了“一切事物都將再次在三維空間中變得可理解”的希望,。到那時(shí)，很少有物理學(xué)家抱有這種希望,。薛定諤的波動(dòng)力學(xué)很快成為解決問題的首選數(shù)學(xué)形式,，但他試圖解釋原子在空間和時(shí)間中的單個(gè)過程的努力卻沒有得到多少支持。薛定諤對他幫助開創(chuàng)的新時(shí)代越來越失望,，在這個(gè)新時(shí)代,，物理學(xué)家們不再覺得有必要，甚至不可能想象原子中發(fā)生的事情,。非凡速度回顧過去,，量子力學(xué)的形成速度之快令人震驚。矩陣和波動(dòng)公式的等價(jià)性于 1926 年春建立，引發(fā)了一系列發(fā)展,。1926 年 6 月,，玻恩提交了兩篇關(guān)于碰撞現(xiàn)象的論文中的前8 篇，他在論文中將薛定諤理論中波函數(shù)振幅的平方重新解釋為粒子與原子碰撞后向特定方向散射的概率,。隨后,，喬丹和保羅·狄拉克發(fā)表了關(guān)于“變換理論”的論文，用概率振幅來描述量子態(tài)（而不僅僅是它們之間的躍遷）,。粗略統(tǒng)計(jì),，從 1925 年 7 月海森堡發(fā)表量子力學(xué)論文到 1927 年 3 月他發(fā)表的同樣具有開創(chuàng)性、完善量子力學(xué)發(fā)展成果的論文9 ,，一共發(fā)表了近 200 篇關(guān)于量子力學(xué)的文章,。在這篇論文中，海森堡引入了不確定關(guān)系的概念,，該概念提出,，電子的位置越精確,，其動(dòng)量就越難確定（反之亦然）,。概率現(xiàn)在成為量子力學(xué)的一個(gè)基本概念。 核乳膠板顯示放射性 α 衰變,，這是量子理論可以解釋的事件,。圖片來源：C. Powell、P. Fowler 和 D. Perkins/SPL 從 1926 年中期開始,，物理學(xué)家們還將量子理論應(yīng)用于越來越多的實(shí)際問題,，獲得了令人驚訝的見解，并在許多情況下提供了更深入的理解,。例如,，尤金·維格納在 1926-27 年的一系列論文中展示了如何通過應(yīng)用量子力學(xué)的對稱原理和群論的數(shù)學(xué)技術(shù)來推導(dǎo)有關(guān)原子結(jié)構(gòu)和分子光譜的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。論文如雪崩般涌現(xiàn),，讓許多物理學(xué)家難以跟上最新發(fā)展,。剛有人掌握了量子力學(xué)的新技術(shù)或公式，另一項(xiàng)就出現(xiàn)了,。有好幾個(gè)物理學(xué)家完成了一篇論文，卻發(fā)現(xiàn)別人也發(fā)現(xiàn)了同樣的東西，并搶先發(fā)表了,。發(fā)展速度之快讓許多物理學(xué)家抱怨“智力消化不良”,。思考新物理學(xué)的深層含義是一種奢侈，很少有物理學(xué)家能負(fù)擔(dān)得起,。到 1927 年索爾維會(huì)議時(shí),，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為量子力學(xué)已經(jīng)得出了暫時(shí)的結(jié)論。海森堡和玻恩在他們的報(bào)告中宣稱量子力學(xué)是一個(gè)“完整的理論,，其基本物理和數(shù)學(xué)假設(shè)不再容易被修改”,。其他人則不那么相信,。在會(huì)議最后一天的開幕致辭中，當(dāng)時(shí) 74 歲,、被稱為“物理學(xué)元老”的亨德里克·安東·洛倫茲表示,，希望人們能夠恢復(fù)對電子在空間和時(shí)間中的運(yùn)動(dòng)的描述。薛定諤,、阿爾伯特·愛因斯坦和路易·德布羅意也表達(dá)了類似的觀點(diǎn),，后者于 1923 年首次提出電子具有波的特性。他們都認(rèn)為量子力學(xué)存在很大問題,。愛因斯坦在 1927 年 11 月寫信給索末菲,，他說量子力學(xué)“可能是統(tǒng)計(jì)定律的正確理論，但它對單個(gè)基本過程的概念不夠充分”,。愛因斯坦從未動(dòng)搖過這一觀點(diǎn),，但輿論潮流與他背道而馳。批評者迅速成為局外人,，他們的抗議被視為對古典物理學(xué)失落天堂的懷念,。至少從數(shù)學(xué)角度來看，量子力學(xué)已經(jīng)盡善盡美,。剩下的就是沿著現(xiàn)代物理學(xué)走過的道路繼續(xù)前進(jìn),。大多數(shù)物理學(xué)家都樂于這樣做，并將理論付諸實(shí)踐,。僅舉幾個(gè)例子,，在 1925 年之后的那些令人興奮的歲月中，量子力學(xué)被用來提供對化學(xué)鍵性質(zhì)的基本見解,，解釋原子核中放射性 α 衰變的過程,，并理解電子如何在晶格中自由移動(dòng)，從而有效地解決了金屬導(dǎo)電的原因,?！皫啄曛畠?nèi)，”海森堡在萊比錫的博士后學(xué)生,、薛定諤在柏林的助手維克多·魏斯科普夫后來回憶道,，“幾十年來一直被認(rèn)為無法解決的問題——例如分子鍵的性質(zhì)、金屬的結(jié)構(gòu)和原子的輻射——終于被理解了,?！?/span>關(guān)于量子理論的物理解釋的更深層次的問題仍然在哲學(xué)界引起爭論。但無論該理論提出過什么哲學(xué)難題,，它都為了解亞原子領(lǐng)域提供了一個(gè)非凡的窗口,。機(jī)構(gòu)編號: https:///10.1038/d41586-024-04217-0第三篇：Nature：愛因斯坦為何在解釋量子現(xiàn)實(shí)方面失敗通過壓制 “哲學(xué)” 問題，戰(zhàn)后物理學(xué)家創(chuàng)造了一種不容置疑的正統(tǒng)觀念，這種觀念一直延續(xù)至今,。作者：吉姆?巴戈特（Jim Baggott）量子力學(xué)是一種極其成功的科學(xué)理論,，我們對技術(shù)癡迷的生活方式在很大程度上依賴于它。但它也令人困惑,。盡管該理論行之有效,，但它讓物理學(xué)家追逐概率而非確定性，并打破了因果關(guān)系之間的聯(lián)系,。它讓我們看到既是粒子又是波的存在,、似乎既死又活的貓，以及圍繞難以解釋的現(xiàn)象（如量子糾纏）的許多詭異的量子怪異之處,。關(guān)于量子力學(xué)的神話也比比皆是,。例如，在 20 世紀(jì)早期,，當(dāng)該理論的創(chuàng)立者們就其含義爭論不休時(shí),，丹麥物理學(xué)家尼爾斯?玻爾（Niels Bohr）的觀點(diǎn)占據(jù)了主導(dǎo)地位。阿爾伯特?愛因斯坦（Albert Einstein）著名地與他意見相左,，在 20 世紀(jì) 20 年代和 30 年代,，兩人在辯論中針鋒相對。一個(gè)持續(xù)存在的神話是,，玻爾通過威逼固執(zhí)且日益孤立的愛因斯坦使其屈服而贏得了這場爭論,。玻爾 “學(xué)派” 的物理學(xué)家們像狂熱的神職人員一樣,，試圖終止進(jìn)一步的辯論,。他們確立了以玻爾研究所所在地命名的 “哥本哈根詮釋”，將其作為一種教條式的正統(tǒng)觀念,。我與科學(xué)史學(xué)家約翰?海爾布倫（John Heilbron）合著的新書《量子戲劇》（Quantum Drama）探討了這個(gè)神話的起源及其在激勵(lì)那些后來挑戰(zhàn)它的獨(dú)特人物方面所起的作用,。他們在面對普遍的冷漠時(shí)堅(jiān)持不懈，最終得到了回報(bào),，因?yàn)樗麄優(yōu)轭A(yù)計(jì)到 2040 年價(jià)值數(shù)百億美元的量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ),。約翰于 2023 年 11 月 5 日去世，遺憾的是未能看到他的最后一部作品出版,。這篇文章是為了紀(jì)念他,。基礎(chǔ)神話一個(gè)科學(xué)神話不是偶然或錯(cuò)誤產(chǎn)生的。它需要努力,。海爾布倫在 2014 年的一次會(huì)議演講中說：“要成為一個(gè)神話,，一個(gè)錯(cuò)誤的說法應(yīng)該是持續(xù)且廣泛存在的。它應(yīng)該有一個(gè)看似合理且可確定的持久原因,，以及直接的文化相關(guān)性,。雖然這些神話是錯(cuò)誤或荒誕的，但它們并非完全錯(cuò)誤，它們的夸張之處凸顯了在其他情況下可能被忽視的情況,、關(guān)系或項(xiàng)目的某些方面,。”為了了解這些觀點(diǎn)如何適用于量子力學(xué)的歷史發(fā)展,，讓我們更仔細(xì)地看看玻爾 - 愛因斯坦辯論,。玻爾在 1927 年認(rèn)為，理解該理論的唯一方法是接受他的互補(bǔ)性原理,。物理學(xué)家別無選擇,，只能使用從經(jīng)典物理學(xué)中借用的完全不相容但互補(bǔ)的概念來描述量子實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果。例如,，在一種實(shí)驗(yàn)中,，電子表現(xiàn)得像經(jīng)典波；在另一種實(shí)驗(yàn)中,，它表現(xiàn)得像經(jīng)典粒子,。物理學(xué)家一次只能觀察到一種行為，因?yàn)椴豢赡茉O(shè)計(jì)出一個(gè)能同時(shí)顯示這兩種行為的實(shí)驗(yàn),。玻爾堅(jiān)持認(rèn)為互補(bǔ)性并不矛盾,，因?yàn)檫@些經(jīng)典概念的使用純粹是象征性的。這不是關(guān)于電子到底是波還是粒子的問題,，而是關(guān)于接受物理學(xué)家永遠(yuǎn)無法知道電子到底是什么,，并且他們必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候采用波和粒子的象征性描述。在這些限制條件下,，玻爾認(rèn)為該理論是完整的 —— 不需要進(jìn)一步的闡述,。這樣的聲明引發(fā)了一個(gè)重要問題。物理學(xué)的目的是什么,？它的主要目標(biāo)是獲得對現(xiàn)象越來越詳細(xì)的描述和控制,，而不管物理學(xué)家是否能理解這些描述嗎？或者,，它是對物理現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的不斷深入探究,？愛因斯坦傾向于第二種答案，并且拒絕接受互補(bǔ)性是這個(gè)問題的最終定論,。在他與玻爾的辯論中,，他設(shè)計(jì)了一系列精心的思想實(shí)驗(yàn)，試圖證明該理論的不一致性,、模糊性和不完整性,。這些實(shí)驗(yàn)旨在突出原則性問題，而不是要從字面上理解,。糾纏概率1935 年,，愛因斯坦的批評集中在他與新澤西州普林斯頓高等研究院的同事鮑里斯?波多爾斯基（Boris Podolsky）和內(nèi)森?羅森（Nathan Rosen）發(fā)表的一篇論文中,。在他們的思想實(shí)驗(yàn)（稱為 EPR，即作者名字的首字母縮寫）中,，一對粒子（A 和 B）相互作用后分開,。假設(shè)每個(gè)粒子以相等的概率具有兩種量子屬性中的一種，為了簡單起見,，我將其稱為相對于某個(gè)儀器設(shè)置測量的 “上” 和 “下”,。假設(shè)它們的屬性由物理定律相關(guān)聯(lián)，如果 A 被測量為 “上”,，B 必須為 “下”,，反之亦然。奧地利物理學(xué)家埃爾溫?薛定諤（Erwin Schr?dinger）創(chuàng)造了 “糾纏” 這個(gè)術(shù)語來描述這種情況,。如果允許糾纏粒子相距足夠遠(yuǎn),，以至于它們不再相互影響，物理學(xué)家可能會(huì)說它們不再處于 “因果聯(lián)系” 中,。量子力學(xué)預(yù)測,，科學(xué)家仍然應(yīng)該能夠測量 A，并由此確定地推斷出 B 的相關(guān)屬性,。但該理論只給出了概率,，我們無法提前知道對 A 的測量結(jié)果會(huì)是什么。如果 A 被發(fā)現(xiàn)是 “下”,，那么遠(yuǎn)處,、因果上不相連的 B 如何 “知道” 如何與它的糾纏伙伴相關(guān)聯(lián)并給出 “上” 的結(jié)果呢？粒子不能打破這種相關(guān)性,，因?yàn)檫@會(huì)違反產(chǎn)生它的物理定律,。物理學(xué)家可以簡單地假設(shè)，當(dāng)粒子相距足夠遠(yuǎn)時(shí),，它們是獨(dú)立且不同的,，即 “局域?qū)嵲凇?的，每個(gè)粒子在相互作用的那一刻其屬性就已確定,。假設(shè) A 帶著 “上” 的屬性向測量儀器移動(dòng)，一個(gè)狡猾的實(shí)驗(yàn)者完全可以改變儀器設(shè)置,，使得當(dāng) A 到達(dá)時(shí),，它被測量為 “下”。那么,，這種相關(guān)性是如何建立的呢,？粒子是否以某種方式保持聯(lián)系，在遙遠(yuǎn)距離上以超光速相互發(fā)送消息或施加影響,，這與愛因斯坦的狹義相對論相沖突,？另一種同樣令人不安的可能性是,，糾纏粒子實(shí)際上并非相互獨(dú)立存在。它們是 “非局域” 的,，這意味著它們的屬性在對其中一個(gè)進(jìn)行測量之前是不確定的,。這兩種可能性對愛因斯坦來說都是不可接受的，這使他得出量子力學(xué)不可能是完整的結(jié)論,。EPR 思想實(shí)驗(yàn)給玻爾陣營帶來了沖擊,，但很快（盡管沒有說服力）就被玻爾駁回了。愛因斯坦的挑戰(zhàn)還不夠,，他滿足于批評該理論,，但對于玻爾互補(bǔ)性的替代方案并沒有達(dá)成共識(shí)。更廣泛的科學(xué)界認(rèn)為玻爾贏得了這場辯論,，到 20 世紀(jì) 50 年代初,，愛因斯坦的影響力正在減弱。與玻爾不同,，愛因斯坦沒有建立自己的學(xué)派,。他更傾向于沉浸在自己的思維中，徒勞地追求一種能統(tǒng)一電磁學(xué)和引力的理論,，從而完全消除對量子力學(xué)的需求,。他稱自己為 “孤獨(dú)的旅行者”。1948 年,，美國理論物理學(xué)家 J. 羅伯特?奧本海默（J. Robert Oppenheimer）對《時(shí)代》雜志的一名記者說,，年長的愛因斯坦已經(jīng)成為 “一個(gè)地標(biāo)，但不是一盞明燈”,。主流觀點(diǎn)對量子歷史這一時(shí)期的后續(xù)解讀產(chǎn)生了一個(gè)持續(xù)且廣泛的觀點(diǎn),，即哥本哈根詮釋已被確立為正統(tǒng)觀點(diǎn)。我提供兩個(gè)軼事作為例證,。20 世紀(jì) 50 年代,，美國物理學(xué)家 N. 大衛(wèi)?默明（N. David Mermin）在哈佛大學(xué)讀研究生學(xué)習(xí)量子力學(xué)時(shí)，他清楚地記得他的概念性問題從教授那里得到的回應(yīng),，他把教授們視為 “哥本哈根的代理人”,。他們建議他：“如果你讓自己被這種瑣事分心，你就永遠(yuǎn)拿不到博士學(xué)位,，所以回到嚴(yán)肅的工作中去,，做出一些成果。換句話說,，閉嘴,，計(jì)算?！?/span>似乎持不同意見者面臨著嚴(yán)重的后果,。20 世紀(jì) 70 年代早期,，美國物理學(xué)家約翰?克勞澤（John Clauser）是量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試的先驅(qū)，當(dāng)他努力尋找學(xué)術(shù)職位時(shí),，他心里很清楚原因,。他認(rèn)為自己冒犯了玻爾和哥本哈根學(xué)派所倡導(dǎo)的 “宗教”：“任何公開批評甚至認(rèn)真質(zhì)疑這些基礎(chǔ)的物理學(xué)家…… 立即被貼上'江湖騙子’的標(biāo)簽。江湖騙子自然很難在這個(gè)行業(yè)中找到體面的工作,?！?/span>但梳理歷史線索會(huì)發(fā)現(xiàn)，對于默明和克勞澤的困境有不同的解釋,。由于沒有可行的互補(bǔ)性替代方案,，20 世紀(jì) 40 年代末編寫第一批戰(zhàn)后量子力學(xué)學(xué)生教科書的人別無選擇，只能呈現(xiàn)（往往是混亂的）玻爾理論的版本,。玻爾的理論出了名地模糊,，而且常常難以理解。關(guān)于該理論基礎(chǔ)的棘手問題通常被忽視,。對學(xué)生來說,，學(xué)習(xí)如何應(yīng)用理論比擔(dān)憂其含義更重要。一個(gè)重要的例外是美國物理學(xué)家大衛(wèi)?玻姆（David Bohm）1951 年出版的《量子理論》（Quantum Theory）一書,，其中對該理論的詮釋進(jìn)行了廣泛的討論,，包括 EPR 挑戰(zhàn)。但在當(dāng)時(shí),，玻姆堅(jiān)持玻爾的觀點(diǎn),。戰(zhàn)后物理學(xué)的美國化意味著不重視沒有實(shí)際成果的 “哲學(xué)” 辯論?！暗贸鰯?shù)字” 的任務(wù)意味著沒有時(shí)間或意愿進(jìn)行玻爾和愛因斯坦所熱衷的那種無意義的討論,。實(shí)用主義占了上風(fēng)。物理學(xué)家鼓勵(lì)他們的學(xué)生選擇可能為他們的學(xué)術(shù)生涯提供合適基礎(chǔ)的研究課題,，或者是那些能吸引潛在雇主的課題,，這些課題不包括量子基礎(chǔ)研究。這些發(fā)展共同產(chǎn)生了一種略有不同的正統(tǒng)觀念,。在《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》（1962 年）中,，美國哲學(xué)家托馬斯?庫恩（Thomas Kuhn）將 “常規(guī)” 科學(xué)描述為科學(xué)家在主流 “范式” 背景下的日常解謎活動(dòng)。這可以被解釋為科學(xué)理解所基于的基礎(chǔ)框架,。庫恩認(rèn)為,，從事常規(guī)科學(xué)研究的人員傾向于接受基礎(chǔ)理論，而不質(zhì)疑這些概念并在其范圍內(nèi)尋求解決問題,。只有當(dāng)棘手的問題積累起來且情況變得無法忍受時(shí)，范式才可能 “轉(zhuǎn)變”,，庫恩將這個(gè)過程比作一場政治革命,。主流觀點(diǎn)還定義了科學(xué)界將接受哪些問題為科學(xué)問題,，以及鼓勵(lì)（和資助）研究人員研究哪些問題。正如庫恩在他的書中所承認(rèn)的：“其他問題,，包括許多以前的標(biāo)準(zhǔn)問題,，被視為形而上學(xué)問題、另一個(gè)學(xué)科的關(guān)注點(diǎn),，或者有時(shí)被認(rèn)為太成問題而不值得花費(fèi)時(shí)間,。” 庫恩關(guān)于常規(guī)科學(xué)的觀點(diǎn)可以應(yīng)用于 “主流” 物理學(xué),。到 20 世紀(jì) 50 年代,，物理學(xué)界對主流之外的基礎(chǔ)問題普遍漠不關(guān)心。這些問題被認(rèn)為屬于哲學(xué)課堂,，而哲學(xué)在物理學(xué)中沒有立足之地,。默明的教授們并非如他最初所想的是 “哥本哈根的代理人”。正如他后來告訴我的,，他的教授們 “對理解玻爾沒有興趣,，并且認(rèn)為愛因斯坦對 [量子力學(xué)] 的厭惡很愚蠢”。相反,，他們 “只是對哲學(xué)漠不關(guān)心,。就是這樣。量子力學(xué)是有效的,。為什么要擔(dān)心它的含義呢,？”克勞澤更有可能是冒犯了主流物理學(xué)的正統(tǒng)觀念。他在 1972 年對量子力學(xué)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)測試遭到了冷漠對待,，或者更積極地被斥為垃圾科學(xué)或邊緣科學(xué),。畢竟，正如預(yù)期的那樣,，量子力學(xué)通過了克勞澤的測試,，而且可以說沒有發(fā)現(xiàn)新的東西?？藙跐蓻]有獲得學(xué)術(shù)職位,，不是因?yàn)樗矣谔魬?zhàn)哥本哈根詮釋，而是因?yàn)樗矣谔魬?zhàn)主流,。正如一位同事后來告訴克勞澤的,，他申請的一所大學(xué)的物理系成員 “認(rèn)為整個(gè)領(lǐng)域都有爭議”。然而,，必須承認(rèn),，哥本哈根詮釋的持久神話也有一定的真實(shí)性。玻爾個(gè)性強(qiáng)勢且專橫,。他希望與量子理論緊密相連,，就像愛因斯坦與相對論緊密相連一樣,。玻爾學(xué)派的物理學(xué)家接受互補(bǔ)性是這個(gè)問題的定論。其中最激烈的是玻爾的 “斗牛犬” 萊昂?羅森菲爾德（Léon Rosenfeld）,、沃爾夫?qū)?泡利（Wolfgang Pauli）和沃納?海森堡（Werner Heisenberg）,，盡管他們對該詮釋的實(shí)際含義都有不同的看法。他們確實(shí)試圖打壓對手,。法國物理學(xué)家路易?德布羅意（Louis de Broglie）的 “導(dǎo)波” 詮釋恢復(fù)了因果關(guān)系和決定論,，在這個(gè)理論中，真實(shí)粒子由真實(shí)波引導(dǎo),，但在 1927 年被泡利否決,。大約 30 年后，美國物理學(xué)家休?埃弗雷特（Hugh Everett）的相對態(tài)或多世界詮釋被羅森菲爾德駁回,，正如他后來描述的,，是 “極其錯(cuò)誤的想法”。羅森菲爾德還補(bǔ)充說,，埃弗雷特 “笨得無法形容,，連量子力學(xué)中最簡單的東西都不懂”。非正統(tǒng)詮釋但是,，哥本哈根詮釋的神話起到了重要的作用,。它激發(fā)了一個(gè)原本可能被忽視的研究方向。愛因斯坦很喜歡玻姆的《量子理論》,，并于 1951 年春天邀請他到普林斯頓見面,。他們的討論促使玻姆放棄了玻爾的觀點(diǎn)，進(jìn)而重新提出了德布羅意的導(dǎo)波理論,。他還針對 EPR 挑戰(zhàn)提出了一種替代方案,，有望轉(zhuǎn)化為實(shí)際實(shí)驗(yàn)。被玻爾的模糊性搞得困惑不已,，又在學(xué)生教科書中找不到慰藉,，同時(shí)受到玻姆的啟發(fā)，愛爾蘭物理學(xué)家約翰?貝爾（John Bell）開始反對哥本哈根詮釋,，并于 1964 年在玻姆版本的 EPR 基礎(chǔ)上發(fā)展出了如今著名的定理,。假設(shè)糾纏粒子 A 和 B 是局域?qū)嵲诘模@會(huì)導(dǎo)致與量子力學(xué)預(yù)測不相容的結(jié)果,。這不再僅僅是哲學(xué)家的問題,，而是關(guān)乎真實(shí)的物理學(xué)。克勞澤在哥倫比亞大學(xué)修讀高等量子力學(xué)研究生課程時(shí)考了三次才通過,，因?yàn)樗拇竽X “有點(diǎn)抗拒學(xué)習(xí)這個(gè)”,。他怪罪于玻爾和哥本哈根詮釋，后來找到了玻姆和貝爾，并在 1972 年成為第一個(gè)用糾纏光子對貝爾定理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試的人,。法國物理學(xué)家阿蘭?阿斯佩（Alain Aspect）同樣努力探尋 “數(shù)學(xué)背后的物理世界”,，對互補(bǔ)性感到困惑（“玻爾的理論讓人無法理解”）,，后來也找到了貝爾,。1982 年，他進(jìn)行了一項(xiàng)具有標(biāo)志性的貝爾定理測試,，在糾纏光子對飛行過程中改變測量其屬性的儀器設(shè)置,。這樣就避免了光子通過相互傳遞信息或影響來使自身產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，因?yàn)樵谒鼈兿嗑嗵h(yuǎn)之前,，測量的性質(zhì)尚未確定,。所有這些測試都支持了量子力學(xué)和非局域性。盡管更廣泛的物理學(xué)界仍然認(rèn)為測試量子力學(xué)是邊緣科學(xué),，大多是浪費(fèi)時(shí)間,，但揭示出一個(gè)此前未被懷疑的現(xiàn)象 —— 量子糾纏和非局域性 —— 并非如此。阿斯佩的研究得益于美國物理學(xué)家理查德?費(fèi)曼（Richard Feynman）,，他在 1981 年發(fā)表了自己版本的貝爾定理,，并推測了建造量子計(jì)算機(jī)的可能性。1984 年,，IBM 的查爾斯?貝內(nèi)特（Charles Bennett）和加拿大蒙特利爾大學(xué)的吉爾斯?布拉薩德（Giles Brassard）提出將糾纏作為一種創(chuàng)新的量子密碼學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ),。人們很容易認(rèn)為這些發(fā)展最終使量子基礎(chǔ)研究進(jìn)入了主流物理學(xué)領(lǐng)域，使其變得受人尊重,。但事實(shí)并非如此,。據(jù)幫助創(chuàng)立量子信息科學(xué)及其量子技術(shù)前景的奧地利物理學(xué)家安東?塞林格（Anton Zeilinger）說，即使是從事量子信息研究的人也認(rèn)為基礎(chǔ)研究 “不是正確的方向”,?！拔覀儾幻靼自颉,？隙ㄊ切睦碓蛑惖?，非常深層次的原因，” 塞林格說,。通過將 2022 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予克勞澤,、阿斯佩和塞林格，諾貝爾獎(jiǎng)機(jī)構(gòu)不一定就對基礎(chǔ)研究變得友好,。諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席安德斯?伊爾貝克（Anders Irb?ck）在評論該獎(jiǎng)項(xiàng)時(shí)說：“越來越明顯的是,，一種新型的量子技術(shù)正在興起。我們可以看到,，獲獎(jiǎng)?wù)咴诩m纏態(tài)方面的工作非常重要,，甚至超越了關(guān)于量子力學(xué)詮釋的基本問題。” 或者更確切地說,，他們的工作之所以重要,，是因?yàn)樯贁?shù)持不同意見者（如玻姆和貝爾）的努力，他們準(zhǔn)備抵制主流物理學(xué)的正統(tǒng)觀念,，而他們將這種正統(tǒng)觀念視為持久的神話,。從玻爾 - 愛因斯坦之爭和糾纏之謎中得到的教訓(xùn)是：即使我們準(zhǔn)備承認(rèn)這個(gè)神話，我們?nèi)匀恍枰?jǐn)慎,。海爾布倫警告不要隨意摒棄：“你今天摒棄的神話可能包含你明天需要的真理,。”閱讀最新前沿科技趨勢報(bào)告，請?jiān)L問歐米伽研究所的“未來知識(shí)庫”
https://wx./group/454854145828 未來知識(shí)庫是“歐米伽未來研究所”建立的在線知識(shí)庫平臺(tái),，收藏的資料范圍包括人工智能,、腦科學(xué)、互聯(lián)網(wǎng),、超級智能,，數(shù)智大腦、能源,、軍事,、經(jīng)濟(jì)、人類風(fēng)險(xiǎn)等等領(lǐng)域的前沿進(jìn)展與未來趨勢,。目前擁有超過8000篇重要資料,。每周更新不少于100篇世界范圍最新研究資料。
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