Nature社論：量子力學一百年：一場未完成的革命

一個世紀前，物理學經歷了達爾文時刻——這種觀點的轉變對於物理科學的影響就像自然選擇的進化論對於生物學的影響一樣重大。

科學思想或理論很少能從根本上改變我們對現實的看法。聯合國已宣佈 2025 年為國際量子科學技術年，我們正慶祝這一革命性時刻。這標誌著量子力學誕生一百周年，該理論始於 100 年前的大量論文。如果沒有查爾斯·達爾文的進化論，我們就不可能理解現代生物學，我們對物理世界的根本理解現在也植根於量子原理。現代物理學就是量子物理學。

量子這個詞指的是物質吸收或釋放能量的方式——以離散包或量子的形式。它在物理學中的使用來自德語單詞quant，該詞源於拉丁語，意為“多少”。1900 年左右，馬克斯·普朗克和阿爾伯特·愛因斯坦等物理學家開始以一種臨時的方式描述為什麼一些亞原子領域的現象無法用艾薩克·牛頓等人在兩個世紀前發展的經典力學來解釋。隨後，在 1925 年，量子開始被用來描述一種全新形式的力學的基本原理——物理學的一個分支，描述力和物理對象運動之間的關係。

正如科學史學家克里斯蒂安·卡米萊裡 (Kristian Camilleri) 在一篇關於那一年及之後的驚人發展的論文中所描述的那樣，物理學家維爾納·海森堡 (Werner Heisenberg) 於 1925 年夏天前往德國北海的黑爾戈蘭島 (Heligoland)，尋求緩解嚴重的花粉症。此後不久，他向Zeitschrift für Physik雜誌提交了一篇論文，其標題翻譯為“關於運動學和力學關係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月裡進行了進一步的研究，以及埃爾溫·薛定諤使用另一種方法進行的工作。

這場革命並非始於物理學家拋棄經典力學定律，而是他們對能量和動量等經典概念的徹底重新詮釋。然而，這場革命確實要求發起者放棄他們所珍視的常識性觀念 — — 例如，期望粒子等亞原子物體在任何給定時間都有明確的位置和動量。相反，物理學家發現自然現象本質上具有不可知的性質。換句話說，經典物理學只是現實的一種近似表示，並且只在宏觀層面上體現出來。一個世紀過去了，這種對物理世界本質的洞察仍然讓人興奮不已，也讓人困惑不已。許多《自然》雜誌的讀者都知道，量子貓既活著又死去，它們提出的哲學難題，以及圍繞量子計算而發展起來的產業。

其他人會知道量子思想如何催生了通過網際網路電纜傳輸資訊的雷射器，以及為電子晶片提供處理能力的電晶體。但量子思想也塑造了我們對自然界各個層面的理解，解釋了為什麼固體不會分崩離析，以及恆星如何發光並最終消亡。

量子年

未來 12 個月，世界各地都在籌劃紀念活動。這些活動包括2 月份在巴黎聯合國教科文組織總部舉行的聯合國年開幕式；3 月份在加利福尼亞州阿納海姆舉行的美國物理學會會議上的特別活動；以及 6 月份在黑爾戈蘭島為物理學家舉辦的研討會。組織者的共同目標是不僅慶祝量子力學百年誕辰，而且慶祝過去一個世紀中量子力學產生的科學和應用，並探索量子物理學如何在下個世紀帶來進一步的變革。

今年 5 月，最初提議聯合國將 2025 年定為量子科學年的國家加納將在庫馬西舉辦一場關於該主題的國際會議。8 月，科學史學家將在巴西薩爾瓦多慶祝量子世紀。

這次會議將是一個為期20 年的研究項目的高潮，該項目旨在重新審視量子理論的發展。明尼阿波利斯明尼蘇達大學的歷史學家 Michel Janssen 表示，這項工作的一個主要目標是確定一群科學家的貢獻，其中許多人——尤其是女性——在該領域的歷史上尚未得到認可。

加拿大多倫多約克大學歷史學家丹妮拉·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小組，並研究出了海森堡量子力學理論的一些早期應用。今年最值得關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《量子物理學史上的女性》。

儘管量子革命已經帶來了諸多成果，但它仍有許多未竟之事。在研究人員奠定量子力學基礎的幾年裡，他們也開始從量子基礎重建其他物理學分支，如電磁學和物質狀態研究。他們還試圖將理論擴展到接近光速移動的物體，這是最初的量子理論所沒有的。這些努力大大擴展了量子科學的範圍，並促使研究人員開發出粒子和場的標準模型，這一過程最終在 20 世紀 70 年代完成。

標準模型取得了令人難以置信的成功，並在 2012 年發現了其關鍵的基本粒子希格斯玻色子。但這些擴展的理論基礎不如量子力學那麼牢固，並且留下了一些無法解釋的現象，例如“暗物質”的性質，它似乎遠遠超過宇宙中常規可見物質。此外，引力這一重要現象仍然無法量化。

量子物理學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實驗將量子對象的模糊機率“壓縮”為一個精確測量值時究竟會發生什麼，這是創造我們所生活的宏觀世界（仍然是無情的經典）的關鍵一步。在過去的幾十年裡，研究人員一直在開發將這些量子現實的怪癖轉化為有用技術的方法。由此產生的計算、超安全通訊和創新科學儀器方面的應用仍處於起步階段。

量子理論不斷進步。今年是一個值得慶祝的機會，讓廣大公眾意識到量子物理在他們生活中的作用——並激勵未來的一代人，無論他們是誰，無論他們身在何處，為下一個量子世紀做出貢獻。

自然 637 , 251-252 (2025)

機構編號: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00014-5

第二篇 Nature：量子力學是如何在一百年前的幾個月內誕生的

1925 年 7 月，一位 23 歲的德國物理學家向《物理學雜誌》提交了一篇論文1，題為“關於量子理論對運動學和力學關係的重新解釋”。維爾納·海森堡文章的發表可以說是開啟量子力學現代時代的一個時刻，從而引發了我們對物理學基本理解的驚人革命，其影響一直持續到今天。聯合國宣佈 2025 年為國際量子科學技術年，這在很大程度上是因為 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。他爭論的焦點是玻爾-索末菲原子模型，該模型以兩位物理學家尼爾斯·玻爾和阿諾德·索末菲的名字命名，他們於 20 世紀 10 年代開發了該模型。該模型是後來被稱為舊量子理論的核心，而舊量子理論本身是 20 世紀初人們認識到古典物理學的原理不足以解釋亞原子現象的觀察的產物。然而，可以通過臨時假設能量以離散包的形式出現：量子，來彌補這一空白。

玻爾-索末菲模型假設電子在一定的量化條件下繞原子核以橢圓軌道運動，從而提供了一套規則，用於選擇經典系統（在氫原子中，電子繞質子旋轉）的某些“允許”軌道，並得出與觀測到的能譜一致的計算值。該模型成功地解釋了氫原子的光譜（僅由一個質子和一個電子組成）以及在施加電場（斯塔克效應）或磁場（普通塞曼效應）的情況下譜線的分裂。但在處理氫分子和具有多個電子的原子時，它遇到了許多問題。

1923 年，海森堡加入德國哥廷根大學理論物理研究所，擔任理論物理學家馬克斯·玻恩的助手時，就發現了這個問題。他和玻恩利用玻爾-索末菲模型允許的所有軌道，對氦原子的光譜進行了一系列詳細計算，但結果與實驗觀察不一致。他們最初懷疑問題出在計算方法上，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的角度提出新的假設，而且整個物理學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。軌道無論是關於頻率還是能量都是不真實的。”

海森堡並不是唯一一個表達這種懷疑的人。他的朋友兼通訊頻繁的沃爾夫岡·泡利也越來越相信電子在軌道上運動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、模形狀的圖像，這些圖像或多或少是建立在經典理論中電子的機械行為之上的” 3。

幾個月後，海森堡在德國北海黑爾戈蘭島尋求花粉症緩解時，提出了一個更為激進的方案。海森堡沒有建立基於電子以大致經典的方式沿明確定義的軌道移動的原子模型，而是決定發展一種創新的運動理論，即“量子力學”，在這種理論中，電子不再被視為沿連續軌跡移動的粒子。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。”這是與經典力學的決定性決裂。

在幾周後提交的論文1中，他著手“建立理論量子力學的基礎，該基礎完全建立在原則上可觀察的量之間的關係上”。海森堡根據周期系統的經典運動方程制定了電子運動方程。它取代了位置和動量等量，包括可觀察能量和躍遷振幅（原子從一個量子態躍遷到另一個量子態的機率）的複雜陣列。

這一策略更多的是出於絕望，而非哲學信念。正如海森堡在論文導言中所解釋的那樣，考慮到處理含有多個電子的原子的複雜性，“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理論的進一步發展。在理論能夠描述諸如碰撞和自由粒子運動等現像之前，它必須包括能量和躍遷振幅之外的其他量。除此之外，甚至不清楚那些量應該被視為不可觀測量。例如，電子位置在 1927 年被重新承認為可觀測量。正如玻恩幾十年後所反思的那樣，消除不可觀測量的想法在 1925 年聽起來很合理，但在實踐中，這種“籠統而模糊的表述是毫無用處的，甚至具有誤導性”。

務實的考慮是海森堡物理學的核心。他經常嘗試各種想法，直到找到一個可行的想法——這種方法非常適合這種概念混亂的時期。哲學原理通常被用作克服僵局的手段，或最後的手段，當它們不再有用時就可以丟棄。正如玻恩後來指出的那樣，哲學原理對在職物理學家的真正價值只能根據它們在產生結果方面的相對有用性來判斷。

矩陣還是波？

海森堡堅持認為，只有“更深入的數學研究”才能揭示他在 7 月論文中使用的方法是否“令人滿意”。隨後幾個月，波恩和帕斯夸爾·喬丹在哥廷根完成了這項工作。他們意識到海森堡方程中出現的量可以表示為矩陣（當時大多數物理學家都不熟悉的數學形式），因此他們用矩陣重新表述了理論。他們創新的“矩陣力學”在一篇長篇論文4中進行了闡述，這篇論文通常被稱為Dreimännerarbeit（三人論文），由波恩、海森堡和喬丹於 1925 年 11 月提交。

但這個模型是有代價的。正如作者所解釋的那樣，新理論“的缺點是不能直接用幾何可視化的解釋來解釋，因為電子的運動不能用熟悉的空間和時間概念來描述”。儘管玻恩和約當沉迷於抽象，但海森堡在 1925 年 6 月寫給泡利的一封信中不禁想知道“運動方程的真正含義”。泡利在當年 12 月使用該方案成功計算了氫原子光譜5，這被廣泛認為是對這一努力的證明。但大多數物理學家發現很難接受深奧的數學。幾個月後，即 1926 年上半年，一種完全不同的方法出現了，這讓人鬆了一口氣。

這是瑞士蘇黎世大學的埃爾溫·薛定諤6在《物理學年鑑》上發表的一系列開創性論文。在薛定諤看來，電子運動無法在時空中描述的想法是對物理學家責任的放棄，等於放棄了理解原子內部運作的所有希望。薛定諤堅持認為，這種理解是可能的。在其中一篇論文的腳註中，他承認他“討厭”哥廷根對量子力學的方法，相反，他建立了一個波動方程，這使他能夠計算氫原子的能態。對薛定諤來說，這有望更直觀地理解量子態是“原子內的振動過程”。他提出，電子可以被視為波，電荷在三維空間中連續分佈，而不是在軌道上運動的粒子。

海森堡對此不以為然。在參加德國慕尼黑的一次學術研討會後，薛定諤在會上介紹了他的理論。海森堡向泡利抱怨說，波動理論無法解釋大量量子現象，包括光電效應（金屬表面受光照時會發射電子）和斯特恩-格拉赫效應（原子束在穿過空間變化的磁場時會以兩種方式之一偏轉）。此外，描述多粒子系統需要抽象多維空間中的波函數。波函數無疑是一種有用的計算工具，但它似乎無法描述任何類似真實波的東西。海森堡在 1926 年 6 月寫道：“即使能夠開發出通常三維空間中一致的物質波動理論，它也很難用我們熟悉的時空概念對原子過程進行詳盡描述。 ” 7

在接下來的一年裡，薛定諤勇敢地嘗試為他的波動力學找到令人滿意的物理解釋，但無濟於事。1927 年 10 月，在布魯塞爾舉行的第五屆索爾維會議上，他再次表達了“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，很少有物理學家抱有這種希望。薛定諤的波動力學很快成為解決問題的首選數學形式，但他試圖解釋原子在空間和時間中的單個過程的努力卻沒有得到多少支援。薛定諤對他幫助開創的新時代越來越失望，在這個新時代，物理學家們不再覺得有必要，甚至不可能想像原子中發生的事情。

非凡速度

回顧過去，量子力學的形成速度之快令人震驚。矩陣和波動公式的等價性於 1926 年春建立，引發了一系列發展。1926 年 6 月，玻恩提交了兩篇關於碰撞現象的論文中的前8 篇，他在論文中將薛定諤理論中波函數振幅的平方重新解釋為粒子與原子碰撞後向特定方向散射的機率。隨後，喬丹和保羅·狄拉克發表了關於“變換理論”的論文，用機率振幅來描述量子態（而不僅僅是它們之間的躍遷）。

粗略統計，從 1925 年 7 月海森堡發表量子力學論文到 1927 年 3 月他發表的同樣具有開創性、完善量子力學發展成果的論文9 ，一共發表了近 200 篇關於量子力學的文章。在這篇論文中，海森堡引入了不確定關係的概念，該概念提出，電子的位置越精確，其動量就越難確定（反之亦然）。機率現在成為量子力學的一個基本概念。

從 1926 年中期開始，物理學家們還將量子理論應用於越來越多的實際問題，獲得了令人驚訝的見解，並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用量子力學的對稱原理和群論的數學技術來推導有關原子結構和分子光譜的經驗規則。

論文如雪崩般湧現，讓許多物理學家難以跟上最新發展。剛有人掌握了量子力學的新技術或公式，另一項就出現了。有好幾個物理學家完成了一篇論文，卻發現別人也發現了同樣的東西，並搶先發表了。發展速度之快讓許多物理學家抱怨“智力消化不良”。思考新物理學的深層含義是一種奢侈，很少有物理學家能負擔得起。

到 1927 年索爾維會議時，大多數物理學家認為量子力學已經得出了暫時的結論。海森堡和玻恩在他們的報告中宣稱量子力學是一個“完整的理論，其基本物理和數學假設不再容易被修改”。其他人則不那麼相信。在會議最後一天的開幕致詞中，當時 74 歲、被稱為“物理學元老”的亨德里克·安東·洛倫茲表示，希望人們能夠恢復對電子在空間和時間中的運動的描述。

薛定諤、阿爾伯特·愛因斯坦和路易·德布羅意也表達了類似的觀點，後者於 1923 年首次提出電子具有波的特性。他們都認為量子力學存在很大問題。愛因斯坦在 1927 年 11 月寫信給索末菲，他說量子力學“可能是統計定律的正確理論，但它對單個基本過程的概念不夠充分”。愛因斯坦從未動搖過這一觀點，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失落天堂的懷念。至少從數學角度來看，量子力學已經盡善盡美。剩下的就是沿著現代物理學走過的道路繼續前進。

大多數物理學家都樂於這樣做，並將理論付諸實踐。僅舉幾個例子，在 1925 年之後的那些令人興奮的歲月中，量子力學被用來提供對化學鍵性質的基本見解，解釋原子核中放射性 α 衰變的過程，並理解電子如何在晶格中自由移動，從而有效地解決了金屬導電的原因。“幾年之內，”海森堡在萊比錫的博士後學生、薛定諤在柏林的助手維克多·魏斯科普夫後來回憶道，“幾十年來一直被認為無法解決的問題——例如分子鍵的性質、金屬的結構和原子的輻射——終於被理解了。”

關於量子理論的物理解釋的更深層次的問題仍然在哲學界引起爭論。但無論該理論提出過什麼哲學難題，它都為瞭解亞原子領域提供了一個非凡的窗口。

自然 637 , 269-271 (2025)

機構編號: https://doi.org/10.1038/d41586-024-04217-0

第三篇：Nature：愛因斯坦為何在解釋量子現實方面失敗

通過壓制 “哲學” 問題，戰後物理學家創造了一種不容置疑的正統觀念，這種觀念一直延續至今。作者：吉姆・巴戈特（Jim Baggott）

量子力學是一種極其成功的科學理論，我們對技術痴迷的生活方式在很大程度上依賴於它。但它也令人困惑。

儘管該理論行之有效，但它讓物理學家追逐機率而非確定性，並打破了因果關係之間的聯絡。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象（如量子糾纏）的許多詭異的量子怪異之處。關於量子力學的神話也比比皆是。例如，在 20 世紀早期，當該理論的創立者們就其含義爭論不休時，丹麥物理學家尼爾斯・玻爾（Niels Bohr）的觀點佔據了主導地位。阿爾伯特・愛因斯坦（Albert Einstein）著名地與他意見相左，在 20 世紀 20 年代和 30 年代，兩人在辯論中針鋒相對。一個持續存在的神話是，玻爾通過威逼固執且日益孤立的愛因斯坦使其屈服而贏得了這場爭論。玻爾 “學派” 的物理學家們像狂熱的神職人員一樣，試圖終止進一步的辯論。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觀念。

我與科學史學家約翰・海爾布倫（John Heilbron）合著的新書《量子戲劇》（Quantum Drama）探討了這個神話的起源及其在激勵那些後來挑戰它的獨特人物方面所起的作用。他們在面對普遍的冷漠時堅持不懈，最終得到了回報，因為他們為預計到 2040 年價值數百億美元的量子計算產業奠定了基礎。

約翰於 2023 年 11 月 5 日去世，遺憾的是未能看到他的最後一部作品出版。這篇文章是為了紀念他。

基礎神話

一個科學神話不是偶然或錯誤產生的。它需要努力。海爾布倫在 2014 年的一次會議演講中說：“要成為一個神話，一個錯誤的說法應該是持續且廣泛存在的。它應該有一個看似合理且可確定的持久原因，以及直接的文化相關性。雖然這些神話是錯誤或荒誕的，但它們並非完全錯誤，它們的誇張之處凸顯了在其他情況下可能被忽視的情況、關係或項目的某些方面。”

為了瞭解這些觀點如何適用於量子力學的歷史發展，讓我們更仔細地看看玻爾 - 愛因斯坦辯論。玻爾在 1927 年認為，理解該理論的唯一方法是接受他的互補性原理。物理學家別無選擇，只能使用從經典物理學中借用的完全不相容但互補的概念來描述量子實驗及其結果。

例如，在一種實驗中，電子錶現得像經典波；在另一種實驗中，它表現得像經典粒子。物理學家一次只能觀察到一種行為，因為不可能設計出一個能同時顯示這兩種行為的實驗。

玻爾堅持認為互補性並不矛盾，因為這些經典概念的使用純粹是象徵性的。這不是關於電子到底是波還是粒子的問題，而是關於接受物理學家永遠無法知道電子到底是什麼，並且他們必須在適當的時候採用波和粒子的象徵性描述。在這些限制條件下，玻爾認為該理論是完整的 —— 不需要進一步的闡述。

這樣的聲明引發了一個重要問題。物理學的目的是什麼？它的主要目標是獲得對現象越來越詳細的描述和控制，而不管物理學家是否能理解這些描述嗎？或者，它是對物理現實本質的不斷深入探究？

愛因斯坦傾向於第二種答案，並且拒絕接受互補性是這個問題的最終定論。在他與玻爾的辯論中，他設計了一系列精心的思想實驗，試圖證明該理論的不一致性、模糊性和不完整性。這些實驗旨在突出原則性問題，而不是要從字面上理解。

糾纏機率

1935 年，愛因斯坦的批評集中在他與紐澤西州普林斯頓高等研究院的同事鮑裡斯・波多爾斯基（Boris Podolsky）和內森・羅森（Nathan Rosen）發表的一篇論文中。在他們的思想實驗（稱為 EPR，即作者名字的首字母縮寫）中，一對粒子（A 和 B）相互作用後分開。假設每個粒子以相等的機率具有兩種量子屬性中的一種，為了簡單起見，我將其稱為相對於某個儀器設定測量的 “上” 和 “下”。假設它們的屬性由物理定律相關聯，如果 A 被測量為 “上”，B 必須為 “下”，反之亦然。奧地利物理學家埃爾溫・薛定諤（Erwin Schrödinger）創造了 “糾纏” 這個術語來描述這種情況。

如果允許糾纏粒子相距足夠遠，以至於它們不再相互影響，物理學家可能會說它們不再處於 “因果聯絡” 中。量子力學預測，科學家仍然應該能夠測量 A，並由此確定地推斷出 B 的相關屬性。但該理論只給出了機率，我們無法提前知道對 A 的測量結果會是什麼。如果 A 被發現是 “下”，那麼遠處、因果上不相連的 B 如何 “知道” 如何與它的糾纏夥伴相關聯並給出 “上” 的結果呢？粒子不能打破這種相關性，因為這會違反產生它的物理定律。物理學家可以簡單地假設，當粒子相距足夠遠時，它們是獨立且不同的，即 “區域實在” 的，每個粒子在相互作用的那一刻其屬性就已確定。假設 A 帶著 “上” 的屬性向測量儀器移動，一個狡猾的實驗者完全可以改變儀器設定，使得當 A 到達時，它被測量為 “下”。那麼，這種相關性是如何建立的呢？粒子是否以某種方式保持聯絡，在遙遠距離上以超光速相互傳送消息或施加影響，這與愛因斯坦的狹義相對論相衝突？

另一種同樣令人不安的可能性是，糾纏粒子實際上並非相互獨立存在。它們是 “非區域” 的，這意味著它們的屬性在對其中一個進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不可能是完整的結論。

EPR 思想實驗給玻爾陣營帶來了衝擊，但很快（儘管沒有說服力）就被玻爾駁回了。愛因斯坦的挑戰還不夠，他滿足於批評該理論，但對於玻爾互補性的替代方案並沒有達成共識。更廣泛的科學界認為玻爾贏得了這場辯論，到 20 世紀 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派。他更傾向於沉浸在自己的思維中，徒勞地追求一種能統一電磁學和引力的理論，從而完全消除對量子力學的需求。他稱自己為 “孤獨的旅行者”。1948 年，美國理論物理學家 J. 羅伯特・奧本海默（J. Robert Oppenheimer）對《時代》雜誌的一名記者說，年長的愛因斯坦已經成為 “一個地標，但不是一盞明燈”。

主流觀點

對量子歷史這一時期的後續解讀產生了一個持續且廣泛的觀點，即哥本哈根詮釋已被確立為正統觀點。我提供兩個軼事作為例證。20 世紀 50 年代，美國物理學家 N. 大衛・默明（N. David Mermin）在哈佛大學讀研究生學習量子力學時，他清楚地記得他的概念性問題從教授那裡得到的回應，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，你就永遠拿不到博士學位，所以回到嚴肅的工作中去，做出一些成果。換句話說，閉嘴，計算。”

似乎持不同意見者面臨著嚴重的後果。20 世紀 70 年代早期，美國物理學家約翰・克勞澤（John Clauser）是量子力學實驗測試的先驅，當他努力尋找學術職位時，他心裡很清楚原因。他認為自己冒犯了玻爾和哥本哈根學派所倡導的 “宗教”：“任何公開批評甚至認真質疑這些基礎的物理學家…… 立即被貼上‘江湖騙子’的標籤。江湖騙子自然很難在這個行業中找到體面的工作。”

但梳理歷史線索會發現，對於默明和克勞澤的困境有不同的解釋。由於沒有可行的互補性替代方案，20 世紀 40 年代末編寫第一批戰後量子力學學生教科書的人別無選擇，只能呈現（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。關於該理論基礎的棘手問題通常被忽視。對學生來說，學習如何應用理論比擔憂其含義更重要。

一個重要的例外是美國物理學家大衛・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行了廣泛的討論，包括 EPR 挑戰。但在當時，玻姆堅持玻爾的觀點。

戰後物理學的美國化意味著不重視沒有實際成果的 “哲學” 辯論。“得出數字” 的任務意味著沒有時間或意願進行玻爾和愛因斯坦所熱衷的那種無意義的討論。實用主義佔了上風。物理學家鼓勵他們的學生選擇可能為他們的學術生涯提供合適基礎的研究課題，或者是那些能吸引潛在僱主的課題，這些課題不包括量子基礎研究。

這些發展共同產生了一種略有不同的正統觀念。在《科學革命的結構》（1962 年）中，美國哲學家托馬斯・庫恩（Thomas Kuhn）將 “常規” 科學描述為科學家在主流 “範式” 背景下的日常解謎活動。這可以被解釋為科學理解所基於的基礎框架。庫恩認為，從事常規科學研究的人員傾向於接受基礎理論，而不質疑這些概念並在其範圍內尋求解決問題。只有當棘手的問題積累起來且情況變得無法忍受時，範式才可能 “轉變”，庫恩將這個過程比作一場政治革命。

主流觀點還定義了科學界將接受那些問題為科學問題，以及鼓勵（和資助）研究人員研究那些問題。正如庫恩在他的書中所承認的：“其他問題，包括許多以前的標準問題，被視為形而上學問題、另一個學科的關注點，或者有時被認為太成問題而不值得花費時間。” 庫恩關於常規科學的觀點可以應用於 “主流” 物理學。到 20 世紀 50 年代，物理學界對主流之外的基礎問題普遍漠不關心。這些問題被認為屬於哲學課堂，而哲學在物理學中沒有立足之地。默明的教授們並非如他最初所想的是 “哥本哈根的代理人”。正如他後來告訴我的，他的教授們 “對理解玻爾沒有興趣，並且認為愛因斯坦對 [量子力學] 的厭惡很愚蠢”。相反，他們 “只是對哲學漠不關心。就是這樣。量子力學是有效的。為什麼要擔心它的含義呢？”

克勞澤更有可能是冒犯了主流物理學的正統觀念。他在 1972 年對量子力學進行的實驗測試遭到了冷漠對待，或者更積極地被斥為垃圾科學或邊緣科學。畢竟，正如預期的那樣，量子力學通過了克勞澤的測試，而且可以說沒有發現新的東西。克勞澤沒有獲得學術職位，不是因為他敢於挑戰哥本哈根詮釋，而是因為他敢於挑戰主流。正如一位同事後來告訴克勞澤的，他申請的一所大學的物理系成員 “認為整個領域都有爭議”。然而，必須承認，哥本哈根詮釋的持久神話也有一定的真實性。玻爾個性強勢且專橫。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。玻爾學派的物理學家接受互補性是這個問題的定論。其中最激烈的是玻爾的 “鬥牛犬” 萊昂・羅森菲爾德（Léon Rosenfeld）、沃爾夫岡・泡利（Wolfgang Pauli）和沃納・海森堡（Werner Heisenberg），儘管他們對該詮釋的實際含義都有不同的看法。

他們確實試圖打壓對手。法國物理學家路易・德布羅意（Louis de Broglie）的 “導波” 詮釋恢復了因果關係和決定論，在這個理論中，真實粒子由真實波引導，但在 1927 年被泡利否決。大約 30 年後，美國物理學家休・埃弗雷特（Hugh Everett）的相對態或多世界詮釋被羅森菲爾德駁回，正如他後來描述的，是 “極其錯誤的想法”。羅森菲爾德還補充說，埃弗雷特 “笨得無法形容，連量子力學中最簡單的東西都不懂”。

非正統詮釋

但是，哥本哈根詮釋的神話起到了重要的作用。它激發了一個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》，並於 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，進而重新提出了德布羅意的導波理論。

他還針對 EPR 挑戰提出了一種替代方案，有望轉化為實際實驗。

被玻爾的模糊性搞得困惑不已，又在學生教科書中找不到慰藉，同時受到玻姆的啟發，愛爾蘭物理學家約翰・貝爾（John Bell）開始反對哥本哈根詮釋，並於 1964 年在玻姆版本的 EPR 基礎上發展出了如今著名的定理。假設糾纏粒子 A 和 B 是區域實在的，這會導致與量子力學預測不相容的結果。這不再僅僅是哲學家的問題，而是關乎真實的物理學。

克勞澤在哥倫比亞大學修讀高等量子力學研究生課程時考了三次才通過，因為他的大腦 “有點抗拒學習這個”。他怪罪於玻爾和哥本哈根詮釋，後來找到了玻姆和貝爾，並在 1972 年成為第一個用糾纏光子對貝爾定理進行實驗測試的人。

法國物理學家阿蘭・阿斯佩（Alain Aspect）同樣努力探尋 “數學背後的物理世界”，對互補性感到困惑（“玻爾的理論讓人無法理解”），後來也找到了貝爾。1982 年，他進行了一項具有標誌性的貝爾定理測試，在糾纏光子對飛行過程中改變測量其屬性的儀器設定。這樣就避免了光子通過相互傳遞資訊或影響來使自身產生關聯，因為在它們相距太遠之前，測量的性質尚未確定。所有這些測試都支援了量子力學和非區域性。

儘管更廣泛的物理學界仍然認為測試量子力學是邊緣科學，大多是浪費時間，但揭示出一個此前未被懷疑的現象 —— 量子糾纏和非區域性 —— 並非如此。阿斯佩的研究得益於美國物理學家理查德・費曼（Richard Feynman），他在 1981 年發表了自己版本的貝爾定理，並推測了建造量子電腦的可能性。1984 年，IBM 的查爾斯・貝內特（Charles Bennett）和加拿大蒙特利爾大學的吉爾斯・布拉薩德（Giles Brassard）提出將糾纏作為一種創新的量子密碼學系統的基礎。

人們很容易認為這些發展最終使量子基礎研究進入了主流物理學領域，使其變得受人尊重。但事實並非如此。據幫助創立量子資訊科學及其量子技術前景的奧地利物理學家安東・塞林格（Anton Zeilinger）說，即使是從事量子資訊研究的人也認為基礎研究 “不是正確的方向”。“我們不明白原因。肯定是心理原因之類的，非常深層次的原因，” 塞林格說。

通過將 2022 年諾貝爾物理學獎授予克勞澤、阿斯佩和塞林格，諾貝爾獎機構不一定就對基礎研究變得友好。諾貝爾物理學委員會主席安德斯・伊爾貝克（Anders Irbäck）在評論該獎項時說：“越來越明顯的是，一種新型的量子技術正在興起。我們可以看到，獲獎者在糾纏態方面的工作非常重要，甚至超越了關於量子力學詮釋的基本問題。” 或者更確切地說，他們的工作之所以重要，是因為少數持不同意見者（如玻姆和貝爾）的努力，他們準備抵制主流物理學的正統觀念，而他們將這種正統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是：即使我們準備承認這個神話，我們仍然需要謹慎。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。”

吉姆・巴戈特是南非開普敦的一名科學作家。他與約翰・海爾布倫合著了《量子戲劇》。 (歐米伽未來研究所)