苗千

在愛因斯坦的頭腦里，制定日月星辰運行規(guī)律的上帝一定是一個有花白頭發(fā)的老人，他經常稱之為“老頭子”。

這當然不是某種真實存在的人格化的神明，在愛因斯坦的心目中，上帝指的是斯賓諾莎的上帝，是自然規(guī)律的化身。多次明確表示過自己無神論者身份的愛因斯坦和當時大多數的歐洲人一樣，習慣把“上帝”掛在嘴邊，其中最有名的一句，或許就是：“上帝不是在擲骰子?！薄@句話在很大程度上表達了愛因斯坦對于量子力學的態(tài)度。

最近，一篇尚未通過同行評審正式發(fā)表的論文使愛因斯坦又一次上了許多科學媒體的頭條，這有關量子力學的本質，也有關愛因斯坦對于量子力學的態(tài)度。長久以來，這位相對論的發(fā)現者一直是以反對量子力學的形象出現的，他堅持認為量子力學有其自身的不完備性。而這篇論文利用一個漂亮的實驗證明了量子力學中或許是最令人迷惑的現象——量子糾纏現象——恰恰存在著最令愛因斯坦感到困惑的“鬼魅般的超距作用”，這是量子力學的又一次勝利。

荷蘭代爾夫特科技大學的物理學家羅納德·漢森（右一）和他的研究小組成員

但是，愛因斯坦真的錯了嗎？

2015年8月24日，荷蘭代爾夫特科技大學的物理學家羅納德·漢森（Ronald Hanson）與合作者們共同在網上提交了一篇論文《利用相隔1.3公里的電子自旋糾纏無漏洞實驗對貝爾不等式的破壞》（Experimental loophole-free violation of a Bell inequality using entangled electron spins separated by 1.3km）。這篇論文迅速吸引了物理學界，進而是世界媒體的關注，《自然》（Nature）雜志更是針對這篇論文專門撰寫了一篇介紹性的文章。

量子糾纏現象是量子力學中最核心也最令人難以理解的現象，不同物體的某種性質之間一旦形成某種“糾纏態(tài)”，那么它們之間無論相隔多遠都會產生瞬時的相互影響，這種瞬時作用顯然違反了相對論（相對論描述宇宙中最快的速度是光速），因為如此，愛因斯坦認為量子糾纏現象證明了量子力學的不完備性。

20世紀60年代，愛爾蘭物理學家約翰·貝爾（John Bell）提出了著名的“貝爾不等式”，這個不等式成為判定愛因斯坦所主張的“定域隱變量理論”與量子力學非定域性孰是孰非的關鍵。從1981年開始，不斷有物理學家通過實驗驗證貝爾不等式，每一次都是量子力學的非定域性取得勝利，看來，量子糾纏確實是一種超距作用。盡管如此，因為量子糾纏實驗對于精度要求很高，每次實驗總會存在一些漏洞，為定域隱變量理論留有一絲余地。

羅納德·漢森與合作者們最近在荷蘭進行實驗，他們利用微波脈沖分別沖擊兩個相隔1.3公里遠的鉆石晶體中的電子以形成糾纏態(tài)，然后再使這兩束微波脈沖的光子在中點相遇，讓光子之間形成量子糾纏，這樣相隔1.3公里的兩個鉆石中的電子也就形成了相互糾纏。之后，實驗者再對相隔1.3公里遠的兩處的電子進行測量。如果這兩地之間存在著某種通訊，即使是以光速傳播，也需要4.27微秒的時間，而測量只需要3.7微秒，從而杜絕了兩地之間進行通訊的可能，實現了世界上首次無漏洞的量子糾纏實驗，而這次實驗，又一次實現了貝爾不等式的破壞，證明了量子力學非定域性的勝利。

盡管大多數物理學家在此前都預料到了這個結果，人們仍對這個實驗給予了極高的評價，維也納大學的實驗物理學家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）認為這是一個非常優(yōu)美的實驗，他說：“定域性的觀念植入在人們的日常思維中，甚至連物理學家也是如此，因此進行一個無漏洞的（量子力學非定域性）實驗非常重要?！被F盧理論物理研究所的物理學家馬修·萊費爾（Matthew Leifer）甚至認為這是一個諾貝爾獎級別的實驗。

實驗毫無疑問地證明，處于糾纏態(tài)的粒子之間，確實存在著非定域性的瞬時作用。那么，愛因斯坦錯了嗎？可以說，愛因斯坦對于量子糾纏的判斷確實錯了，目前從現象上來說，量子糾纏確實違反了相對論，并不存在愛因斯坦所假設的“隱變量”，但是愛因斯坦對于量子力學完備性的質疑，在很長一段時間內恐怕仍然無法解決，并且會一直激勵著物理學家們進行探索。

作為量子力學的創(chuàng)始人之一，愛因斯坦并不反對量子力學。實際上，愛因斯坦從未堅持物理學的決定性，他對于量子力學非決定性的理解遠比一般人更加激進。問題在于，愛因斯坦始終堅持認為，量子力學是不完備的，在量子力學之下，還隱藏著更加深刻的物理學原理，才使量子世界呈現出概率性。

值得注意的是，雖然量子現象是概率性的，但量子理論卻是決定性的，薛定諤方程正是精確的以確定性的方式描述波函數的演化。而一個量子領域的粒子在測量中呈現出何種狀態(tài)，則取決于波函數的“塌縮”（collapse），這正是尼爾斯·波爾（Niels Bohr）為首的哥本哈根學派所闡述的量子力學的重點，也正是愛因斯坦最不能同意，并與波爾爭論了半生的焦點問題，“上帝不是在擲骰子”這句話，正是出自這樣的語境中。愛因斯坦并不反對量子力學，但是他完全反對哥本哈根學派對于量子力學的解讀。

無論是提出了波函數概念的埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrodinger）還是奠定了量子力學數學基礎的維爾納·海森堡（Werner Heisenberg），都始終沒有承認波函數在量子力學中的核心地位，但波函數以及波函數塌縮的概念因為與實驗現象相吻合，隨著哥本哈根學派的興盛，逐漸成為物理學界的主流觀點，而問題從未消失：波函數究竟是什么？是一種純粹用于計算的數學概念還是一種切實的存在？它以怎樣的形式存在，而當人類對一個量子系統(tǒng)進行測量時，波函數又是如何發(fā)生了瞬時塌縮，它為什么可以違反相對論對于速度極限的束縛？測量的本質又是什么？量子力學是否只是對于量子現象的描述性的理論，是否存在更深刻的理論可以解釋量子力學？可以說，在這些最基本也是最深刻的問題被解答之前，愛因斯坦與波爾的爭論就仍然沒有結束。

（本文寫作參考了《自然》雜志和《科學美國人》雜志的報道）