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Nature社论：量子力学一百年：一场未完成的革命 （三篇汇总）

人工智能学家  · 公众号  · AI  · 2025-01-10 16:02

正文

“欧米伽未来研究所”关注科技未来发展趋势，研究人类向欧米伽点演化过程中面临的重大机遇与挑战。将不定期推荐和发布世界范围重要科技研究进展和未来趋势研究。（点击这里查看欧米伽理论）
来源：欧米伽未来研究所

一个世纪前，物理学经历了达尔文时刻——这种观点的转变对于物理科学的影响就像自然选择的进化论对于生物学的影响一样重大。  


科学思想或理论很少能从根本上改变我们对现实的看法。联合国已宣布 2025 年为国际量子科学技术年，我们正庆祝这一革命性时刻。这标志着量子力学诞生一百周年，该理论始于 100 年前的大量论文。如果没有查尔斯·达尔文的进化论，我们就不可能理解现代生物学，我们对物理世界的根本理解现在也植根于量子原理。现代物理学就是量子物理学。

量子这个词指的是物质吸收或释放能量的方式——以离散包或量子的形式。它在物理学中的使用来自德语单词quant，该词源于拉丁语，意为“多少”。1900 年左右，马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦等物理学家开始以一种临时的方式描述为什么一些亚原子领域的现象无法用艾萨克·牛顿等人在两个世纪前发展的经典力学来解释。随后，在 1925 年，量子开始被用来描述一种全新形式的力学的基本原理——物理学的一个分支，描述力和物理对象运动之间的关系。

正如科学史学家克里斯蒂安·卡米莱里 (Kristian Camilleri) 在一篇关于那一年及之后的惊人发展的论文中所描述的那样，物理学家维尔纳·海森堡 (Werner Heisenberg) 于 1925 年夏天前往德国北海的黑尔戈兰岛 (Heligoland)，寻求缓解严重的花粉症。此后不久，他向Zeitschrift für Physik杂志提交了一篇论文，其标题翻译为“关于运动学和力学关系的量子理论重新解释”( W. Heisenberg Z. Physik 33 , 879–893; 1925 )。这促使海森堡和他的亲密合作者在接下来的几个月里进行了进一步的研究，以及埃尔温·薛定谔使用另一种方法进行的工作。

这场革命并非始于物理学家抛弃经典力学定律，而是他们对能量和动量等经典概念的彻底重新诠释。然而，这场革命确实要求发起者放弃他们所珍视的常识性观念 — — 例如，期望粒子等亚原子物体在任何给定时间都有明确的位置和动量。相反，物理学家发现自然现象本质上具有不可知的性质。换句话说，经典物理学只是现实的一种近似表示，并且只在宏观层面上体现出来。一个世纪过去了，这种对物理世界本质的洞察仍然让人兴奋不已，也让人困惑不已。许多《自然》杂志的读者都知道，量子猫既活着又死去，它们提出的哲学难题，以及围绕量子计算而发展起来的产业。

其他人会知道量子思想如何催生了通过互联网电缆传输信息的激光器，以及为电子芯片提供处理能力的晶体管。但量子思想也塑造了我们对自然界各个层面的理解，解释了为什么固体不会分崩离析，以及恒星如何发光并最终消亡。

量子年

未来 12 个月，世界各地都在筹划纪念活动。这些活动包括2 月份在巴黎联合国教科文组织总部举行的联合国年开幕式；3 月份在加利福尼亚州阿纳海姆举行的美国物理学会会议上的特别活动；以及 6 月份在黑尔戈兰岛为物理学家举办的研讨会。组织者的共同目标是不仅庆祝量子力学百年诞辰，而且庆祝过去一个世纪中量子力学产生的科学和应用，并探索量子物理学如何在下个世纪带来进一步的变革。

今年 5 月，最初提议联合国将 2025 年定为量子科学年的国家加纳将在库马西举办一场关于该主题的国际会议。8 月，科学史学家将在巴西萨尔瓦多庆祝量子世纪。

这次会议将是一个为期20 年的研究项目的高潮，该项目旨在重新审视量子理论的发展。明尼阿波利斯明尼苏达大学的历史学家 Michel Janssen 表示，这项工作的一个主要目标是确定一群科学家的贡献，其中许多人——尤其是女性——在该领域的历史上尚未得到认可。

加拿大多伦多约克大学历史学家丹妮拉·莫纳尔迪说，这些“隐藏的人物”包括露西·门辛，她与海森堡同属一个小组，并研究出了海森堡量子力学理论的一些早期应用。今年最值得关注的事件之一将是出版一本传记集，其中收录了 16 位女性的论文，即《量子物理学史上的女性》。

尽管量子革命已经带来了诸多成果，但它仍有许多未竟之事。在研究人员奠定量子力学基础的几年里，他们也开始从量子基础重建其他物理学分支，如电磁学和物质状态研究。他们还试图将理论扩展到接近光速移动的物体，这是最初的量子理论所没有的。这些努力大大扩展了量子科学的范围，并促使研究人员开发出粒子和场的标准模型，这一过程最终在 20 世纪 70 年代完成。

标准模型取得了令人难以置信的成功，并在 2012 年发现了其关键的基本粒子希格斯玻色子。但这些扩展的理论基础不如量子力学那么牢固，并且留下了一些无法解释的现象，例如“暗物质”的性质，它似乎远远超过宇宙中常规可见物质。此外，引力这一重要现象仍然无法量化。

量子物理学的其他概念问题仍未得到解决。特别是，研究人员努力理解当实验将量子对象的模糊概率“压缩”为一个精确测量值时究竟会发生什么，这是创造我们所生活的宏观世界（仍然是无情的经典）的关键一步。在过去的几十年里，研究人员一直在开发将这些量子现实的怪癖转化为有用技术的方法。由此产生的计算、超安全通信和创新科学仪器方面的应用仍处于起步阶段。

量子理论不断进步。今年是一个值得庆祝的机会，让广大公众意识到量子物理在他们生活中的作用——并激励未来的一代人，无论他们是谁，无论他们身在何处，为下一个量子世纪做出贡献。
自然 637 , 251-252 (2025)
机构编号: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00014-5

第二篇 Nature：量子力学是如何在一百年前的几个月内诞生的


德国黑尔戈兰岛，维尔纳·海森堡在此撰写了突破性的量子理论论文。图片来源：Getty
1925 年 7 月，一位 23 岁的德国物理学家向《物理学杂志》提交了一篇论文1，题为“关于量子理论对运动学和力学关系的重新解释”。维尔纳·海森堡文章的发表可以说是开启量子力学现代时代的一个时刻，从而引发了我们对物理学基本理解的惊人革命，其影响一直持续到今天。联合国宣布 2025 年为国际量子科学技术年，这在很大程度上是因为 100 年前开始以惊人的速度展开的事件。
海森堡的论文大胆尝试，试图找到一种方法摆脱困扰原子光谱（原子发射和吸收的光的频率和振幅）解释工作的难题。他争论的焦点是玻尔-索末菲原子模型，该模型以两位物理学家尼尔斯·玻尔和阿诺德·索末菲的名字命名，他们于 20 世纪 10 年代开发了该模型。该模型是后来被称为旧量子理论的核心，而旧量子理论本身是 20 世纪初人们认识到古典物理学的原理不足以解释亚原子现象的观察的产物。然而，可以通过临时假设能量以离散包的形式出现：量子，来弥补这一空白。
玻尔-索末菲模型假设电子在一定的量化条件下绕原子核以椭圆轨道运动，从而提供了一套规则，用于选择经典系统（在氢原子中，电子绕质子旋转）的某些“允许”轨道，并得出与观测到的能谱一致的计算值。该模型成功地解释了氢原子的光谱（仅由一个质子和一个电子组成）以及在施加电场（斯塔克效应）或磁场（普通塞曼效应）的情况下谱线的分裂。但在处理氢分子和具有多个电子的原子时，它遇到了许多问题。
1923 年，海森堡加入德国哥廷根大学理论物理研究所，担任理论物理学家马克斯·玻恩的助手时，就发现了这个问题。他和玻恩利用玻尔-索末菲模型允许的所有轨道，对氦原子的光谱进行了一系列详细计算，但结果与实验观察不一致。他们最初怀疑问题出在计算方法上，但很快被更根本的疑虑所取代。玻恩写道2 “越来越有可能的是，不仅需要从物理假设的角度提出新的假设，而且整个物理学概念体系都必须从头开始重建。”1923 年 12 月，海森堡在写给他的老老师索末菲的信中指出：“所有模型表述都没有真正的意义。轨道无论是关于频率还是能量都是不真实的。”
海森堡并不是唯一一个表达这种怀疑的人。他的朋友兼通信频繁的沃尔夫冈·泡利也越来越相信电子在轨道上运动的想法是站不住脚的，他在 1924 年 12 月告诉索末菲，“我们所说的语言不足以描述量子世界的简单性和美丽。”然而，没有轨道模型，如何继续下去还不清楚。直到 1925 年 4 月，海森堡还写道，“在目前的量子理论中，人们必须依靠符号化的、模型状的图像，这些图像或多或少是建立在经典理论中电子的机械行为之上的” 3。
几个月后，海森堡在德国北海黑尔戈兰岛寻求花粉症缓解时，提出了一个更为激进的方案。海森堡没有建立基于电子以大致经典的方式沿明确定义的轨道移动的原子模型，而是决定发展一种创新的运动理论，即“量子力学”，在这种理论中，电子不再被视为沿连续轨迹移动的粒子。7 月 9 日，他写信给泡利说：“我所有的努力都是为了彻底消灭轨道概念——反正轨道是无法观察到的。”这是与经典力学的决定性决裂。

维尔纳·海森堡，摄于 1925 年。图片来源：Corbis via Getty

在几周后提交的论文1中，他着手“建立理论量子力学的基础，该基础完全建立在原则上可观察的量之间的关系上”。海森堡根据周期系统的经典运动方程制定了电子运动方程。它取代了位置和动量等量，包括可观察能量和跃迁振幅（原子从一个量子态跃迁到另一个量子态的概率）的复杂阵列。
这一策略更多的是出于绝望，而非哲学信念。正如海森堡在论文导言中所解释的那样，考虑到处理含有多个电子的原子的复杂性，“放弃观察迄今为止无法观察的量（如电子的位置和周期）的所有希望似乎是明智的”。
然而，很难看出消除不可观测量将如何指导理论的进一步发展。在理论能够描述诸如碰撞和自由粒子运动等现象之前，它必须包括能量和跃迁振幅之外的其他量。除此之外，甚至不清楚哪些量应该被视为不可观测量。例如，电子位置在 1927 年被重新承认为可观测量。正如玻恩几十年后所反思的那样，消除不可观测量的想法在 1925 年听起来很合理，但在实践中，这种“笼统而模糊的表述是毫无用处的，甚至具有误导性”。
务实的考虑是海森堡物理学的核心。他经常尝试各种想法，直到找到一个可行的想法——这种方法非常适合这种概念混乱的时期。哲学原理通常被用作克服僵局的手段，或最后的手段，当它们不再有用时就可以丢弃。正如玻恩后来指出的那样，哲学原理对在职物理学家的真正价值只能根据它们在产生结果方面的相对有用性来判断。

矩阵还是波？

海森堡坚持认为，只有“更深入的数学研究”才能揭示他在 7 月论文中使用的方法是否“令人满意”。随后几个月，波恩和帕斯夸尔·乔丹在哥廷根完成了这项工作。他们意识到海森堡方程中出现的量可以表示为矩阵（当时大多数物理学家都不熟悉的数学形式），因此他们用矩阵重新表述了理论。他们创新的“矩阵力学”在一篇长篇论文4中进行了阐述，这篇论文通常被称为Dreimännerarbeit（三人论文），由波恩、海森堡和乔丹于 1925 年 11 月提交。
但这个模型是有代价的。正如作者所解释的那样，新理论“的缺点是不能直接用几何可视化的解释来解释，因为电子的运动不能用熟悉的空间和时间概念来描述”。尽管玻恩和约当沉迷于抽象，但海森堡在 1925 年 6 月写给泡利的一封信中不禁想知道“运动方程的真正含义”。泡利在当年 12 月使用该方案成功计算了氢原子光谱5，这被广泛认为是对这一努力的证明。但大多数物理学家发现很难接受深奥的数学。几个月后，即 1926 年上半年，一种完全不同的方法出现了，这让人松了一口气。
这是瑞士苏黎世大学的埃尔温·薛定谔6在《物理学年鉴》上发表的一系列开创性论文。在薛定谔看来，电子运动无法在时空中描述的想法是对物理学家责任的放弃，等于放弃了理解原子内部运作的所有希望。薛定谔坚持认为，这种理解是可能的。在其中一篇论文的脚注中，他承认他“讨厌”哥廷根对量子力学的方法，相反，他建立了一个波动方程，这使他能够计算氢原子的能态。对薛定谔来说，这有望更直观地理解量子态是“原子内的振动过程”。他提出，电子可以被视为波，电荷在三维空间中连续分布，而不是在轨道上运动的粒子。
海森堡对此不以为然。在参加德国慕尼黑的一次学术研讨会后，薛定谔在会上介绍了他的理论。海森堡向泡利抱怨说，波动理论无法解释大量量子现象，包括光电效应（金属表面受光照时会发射电子）和斯特恩-格拉赫效应（原子束在穿过空间变化的磁场时会以两种方式之一偏转）。此外，描述多粒子系统需要抽象多维空间中的波函数。波函数无疑是一种有用的计算工具，但它似乎无法描述任何类似真实波的东西。海森堡在 1926 年 6 月写道：“即使能够开发出通常三维空间中一致的物质波动理论，它也很难用我们熟悉的时空概念对原子过程进行详尽描述。” 7
在接下来的一年里，薛定谔勇敢地尝试为他的波动力学找到令人满意的物理解释，但无济于事。1927 年 10 月，在布鲁塞尔举行的第五届索尔维会议上，他再次表达了“一切事物都将再次在三维空间中变得可理解”的希望。到那时，很少有物理学家抱有这种希望。薛定谔的波动力学很快成为解决问题的首选数学形式，但他试图解释原子在空间和时间中的单个过程的努力却没有得到多少支持。薛定谔对他帮助开创的新时代越来越失望，在这个新时代，物理学家们不再觉得有必要，甚至不可能想象原子中发生的事情。

非凡速度

回顾过去，量子力学的形成速度之快令人震惊。矩阵和波动公式的等价性于 1926 年春建立，引发了一系列发展。1926 年 6 月，玻恩提交了两篇关于碰撞现象的论文中的前8 篇，他在论文中将薛定谔理论中波函数振幅的平方重新解释为粒子与原子碰撞后向特定方向散射的概率。随后，乔丹和保罗·狄拉克发表了关于“变换理论”的论文，用概率振幅来描述量子态（而不仅仅是它们之间的跃迁）。
粗略统计，从 1925 年 7 月海森堡发表量子力学论文到 1927 年 3 月他发表的同样具有开创性、完善量子力学发展成果的论文9 ，一共发表了近 200 篇关于量子力学的文章。在这篇论文中，海森堡引入了不确定关系的概念，该概念提出，电子的位置越精确，其动量就越难确定（反之亦然）。概率现在成为量子力学的一个基本概念。

核乳胶板显示放射性 α 衰变，这是量子理论可以解释的事件。图片来源：C. Powell、P. Fowler 和 D. Perkins/SPL

从 1926 年中期开始，物理学家们还将量子理论应用于越来越多的实际问题，获得了令人惊讶的见解，并在许多情况下提供了更深入的理解。例如，尤金·维格纳在 1926-27 年的一系列论文中展示了如何通过应用量子力学的对称原理和群论的数学技术来推导有关原子结构和分子光谱的经验规则。
论文如雪崩般涌现，让许多物理学家难以跟上最新发展。刚有人掌握了量子力学的新技术或公式，另一项就出现了。有好几个物理学家完成了一篇论文，却发现别人也发现了同样的东西，并抢先发表了。发展速度之快让许多物理学家抱怨“智力消化不良”。思考新物理学的深层含义是一种奢侈，很少有物理学家能负担得起。
到 1927 年索尔维会议时，大多数物理学家认为量子力学已经得出了暂时的结论。海森堡和玻恩在他们的报告中宣称量子力学是一个“完整的理论，其基本物理和数学假设不再容易被修改”。其他人则不那么相信。在会议最后一天的开幕致辞中，当时 74 岁、被称为“物理学元老”的亨德里克·安东·洛伦兹表示，希望人们能够恢复对电子在空间和时间中的运动的描述。
薛定谔、阿尔伯特·爱因斯坦和路易·德布罗意也表达了类似的观点，后者于 1923 年首次提出电子具有波的特性。他们都认为量子力学存在很大问题。爱因斯坦在 1927 年 11 月写信给索末菲，他说量子力学“可能是统计定律的正确理论，但它对单个基本过程的概念不够充分”。爱因斯坦从未动摇过这一观点，但舆论潮流与他背道而驰。批评者迅速成为局外人，他们的抗议被视为对古典物理学失落天堂的怀念。至少从数学角度来看，量子力学已经尽善尽美。剩下的就是沿着现代物理学走过的道路继续前进。
大多数物理学家都乐于这样做，并将理论付诸实践。仅举几个例子，在 1925 年之后的那些令人兴奋的岁月中，量子力学被用来提供对化学键性质的基本见解，解释原子核中放射性 α 衰变的过程，并理解电子如何在晶格中自由移动，从而有效地解决了金属导电的原因。“几年之内，”海森堡在莱比锡的博士后学生、薛定谔在柏林的助手维克多·魏斯科普夫后来回忆道，“几十年来一直被认为无法解决的问题——例如分子键的性质、金属的结构和原子的辐射——终于被理解了。”
关于量子理论的物理解释的更深层次的问题仍然在哲学界引起争论。但无论该理论提出过什么哲学难题，它都为了解亚原子领域提供了一个非凡的窗口。
自然 637 , 269-271 (2025)
机构编号: https://doi.org/10.1038/d41586-024-04217-0

第三篇：Nature：爱因斯坦为何在解释量子现实方面失败


通过压制 “哲学” 问题，战后物理学家创造了一种不容置疑的正统观念，这种观念一直延续至今。作者：吉姆・巴戈特（Jim Baggott）
量子力学是一种极其成功的科学理论，我们对技术痴迷的生活方式在很大程度上依赖于它。但它也令人困惑。
尽管该理论行之有效，但它让物理学家追逐概率而非确定性，并打破了因果关系之间的联系。它让我们看到既是粒子又是波的存在、似乎既死又活的猫，以及围绕难以解释的现象（如量子纠缠）的许多诡异的量子怪异之处。关于量子力学的神话也比比皆是。例如，在 20 世纪早期，当该理论的创立者们就其含义争论不休时，丹麦物理学家尼尔斯・玻尔（Niels Bohr）的观点占据了主导地位。阿尔伯特・爱因斯坦（Albert Einstein）著名地与他意见相左，在 20 世纪 20 年代和 30 年代，两人在辩论中针锋相对。一个持续存在的神话是，玻尔通过威逼固执且日益孤立的爱因斯坦使其屈服而赢得了这场争论。玻尔 “学派” 的物理学家们像狂热的神职人员一样，试图终止进一步的辩论。他们确立了以玻尔研究所所在地命名的 “哥本哈根诠释”，将其作为一种教条式的正统观念。
我与科学史学家约翰・海尔布伦（John Heilbron）合著的新书《量子戏剧》（Quantum Drama）探讨了这个神话的起源及其在激励那些后来挑战它的独特人物方面所起的作用。他们在面对普遍的冷漠时坚持不懈，最终得到了回报，因为他们为预计到 2040 年价值数百亿美元的量子计算产业奠定了基础。
约翰于 2023 年 11 月 5 日去世，遗憾的是未能看到他的最后一部作品出版。这篇文章是为了纪念他。

基础神话

一个科学神话不是偶然或错误产生的。它需要努力。海尔布伦在 2014 年的一次会议演讲中说：“要成为一个神话，一个错误的说法应该是持续且广泛存在的。它应该有一个看似合理且可确定的持久原因，以及直接的文化相关性。虽然这些神话是错误或荒诞的，但它们并非完全错误，它们的夸张之处凸显了在其他情况下可能被忽视的情况、关系或项目的某些方面。”
为了了解这些观点如何适用于量子力学的历史发展，让我们更仔细地看看玻尔 - 爱因斯坦辩论。玻尔在 1927 年认为，理解该理论的唯一方法是接受他的互补性原理。物理学家别无选择，只能使用从经典物理学中借用的完全不相容但互补的概念来描述量子实验及其结果。
例如，在一种实验中，电子表现得像经典波；在另一种实验中，它表现得像经典粒子。物理学家一次只能观察到一种行为，因为不可能设计出一个能同时显示这两种行为的实验。
玻尔坚持认为互补性并不矛盾，因为这些经典概念的使用纯粹是象征性的。这不是关于电子到底是波还是粒子的问题，而是关于接受物理学家永远无法知道电子到底是什么，并且他们必须在适当的时候采用波和粒子的象征性描述。在这些限制条件下，玻尔认为该理论是完整的 —— 不需要进一步的阐述。
这样的声明引发了一个重要问题。物理学的目的是什么？它的主要目标是获得对现象越来越详细的描述和控制，而不管物理学家是否能理解这些描述吗？或者，它是对物理现实本质的不断深入探究？
爱因斯坦倾向于第二种答案，并且拒绝接受互补性是这个问题的最终定论。在他与玻尔的辩论中，他设计了一系列精心的思想实验，试图证明该理论的不一致性、模糊性和不完整性。这些实验旨在突出原则性问题，而不是要从字面上理解。

纠缠概率

1935 年，爱因斯坦的批评集中在他与新泽西州普林斯顿高等研究院的同事鲍里斯・波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森・罗森（Nathan Rosen）发表的一篇论文中。在他们的思想实验（称为 EPR，即作者名字的首字母缩写）中，一对粒子（A 和 B）相互作用后分开。假设每个粒子以相等的概率具有两种量子属性中的一种，为了简单起见，我将其称为相对于某个仪器设置测量的 “上” 和 “下”。假设它们的属性由物理定律相关联，如果 A 被测量为 “上”，B 必须为 “下”，反之亦然。奥地利物理学家埃尔温・薛定谔（Erwin Schrödinger）创造了 “纠缠” 这个术语来描述这种情况。
如果允许纠缠粒子相距足够远，以至于它们不再相互影响，物理学家可能会说它们不再处于 “因果联系” 中。量子力学预测，科学家仍然应该能够测量 A，并由此确定地推断出 B 的相关属性。但该理论只给出了概率，我们无法提前知道对 A 的测量结果会是什么。如果 A 被发现是 “下”，那么远处、因果上不相连的 B 如何 “知道” 如何与它的纠缠伙伴相关联并给出 “上” 的结果呢？粒子不能打破这种相关性，因为这会违反产生它的物理定律。物理学家可以简单地假设，当粒子相距足够远时，它们是独立且不同的，即 “局域实在” 的，每个粒子在相互作用的那一刻其属性就已确定。假设 A 带着 “上” 的属性向测量仪器移动，一个狡猾的实验者完全可以改变仪器设置，使得当 A 到达时，它被测量为 “下”。那么，这种相关性是如何建立的呢？粒子是否以某种方式保持联系，在遥远距离上以超光速相互发送消息或施加影响，这与爱因斯坦的狭义相对论相冲突？
另一种同样令人不安的可能性是，纠缠粒子实际上并非相互独立存在。它们是 “非局域” 的，这意味着它们的属性在对其中一个进行测量之前是不确定的。
这两种可能性对爱因斯坦来说都是不可接受的，这使他得出量子力学不可能是完整的结论。
EPR 思想实验给玻尔阵营带来了冲击，但很快（尽管没有说服力）就被玻尔驳回了。爱因斯坦的挑战还不够，他满足于批评该理论，但对于玻尔互补性的替代方案并没有达成共识。更广泛的科学界认为玻尔赢得了这场辩论，到 20 世纪 50 年代初，爱因斯坦的影响力正在减弱。
与玻尔不同，爱因斯坦没有建立自己的学派。他更倾向于沉浸在自己的思维中，徒劳地追求一种能统一电磁学和引力的理论，从而完全消除对量子力学的需求。他称自己为 “孤独的旅行者”。1948 年，美国理论物理学家 J. 罗伯特・奥本海默（J. Robert Oppenheimer）对《时代》杂志的一名记者说，年长的爱因斯坦已经成为 “一个地标，但不是一盏明灯”。

主流观点

对量子历史这一时期的后续解读产生了一个持续且广泛的观点，即哥本哈根诠释已被确立为正统观点。我提供两个轶事作为例证。20 世纪 50 年代，美国物理学家 N. 大卫・默明（N. David Mermin）在哈佛大学读研究生学习量子力学时，他清楚地记得他的概念性问题从教授那里得到的回应，他把教授们视为 “哥本哈根的代理人”。他们建议他：“如果你让自己被这种琐事分心，你就永远拿不到博士学位，所以回到严肃的工作中去，做出一些成果。换句话说，闭嘴，计算。”
似乎持不同意见者面临着严重的后果。20 世纪 70 年代早期，美国物理学家约翰・克劳泽（John Clauser）是量子力学实验测试的先驱，当他努力寻找学术职位时，他心里很清楚原因。他认为自己冒犯了玻尔和哥本哈根学派所倡导的 “宗教”：“任何公开批评甚至认真质疑这些基础的物理学家…… 立即被贴上‘江湖骗子’的标签。江湖骗子自然很难在这个行业中找到体面的工作。”
但梳理历史线索会发现，对于默明和克劳泽的困境有不同的解释。由于没有可行的互补性替代方案，20 世纪 40 年代末编写第一批战后量子力学学生教科书的人别无选择，只能呈现（往往是混乱的）玻尔理论的版本。玻尔的理论出了名地模糊，而且常常难以理解。关于该理论基础的棘手问题通常被忽视。对学生来说，学习如何应用理论比担忧其含义更重要。
一个重要的例外是美国物理学家大卫・玻姆（David Bohm）1951 年出版的《量子理论》（Quantum Theory）一书，其中对该理论的诠释进行了广泛的讨论，包括 EPR 挑战。但在当时，玻姆坚持玻尔的观点。
战后物理学的美国化意味着不重视没有实际成果的 “哲学” 辩论。“得出数字” 的任务意味着没有时间或意愿进行玻尔和爱因斯坦所热衷的那种无意义的讨论。实用主义占了上风。物理学家鼓励他们的学生选择可能为他们的学术生涯提供合适基础的研究课题，或者是那些能吸引潜在雇主的课题，这些课题不包括量子基础研究。
这些发展共同产生了一种略有不同的正统观念。在《科学革命的结构》（1962 年）中，美国哲学家托马斯・库恩（Thomas Kuhn）将 “常规” 科学描述为科学家在主流 “范式” 背景下的日常解谜活动。这可以被解释为科学理解所基于的基础框架。库恩认为，从事常规科学研究的人员倾向于接受基础理论，而不质疑这些概念并在其范围内寻求解决问题。只有当棘手的问题积累起来且情况变得无法忍受时，范式才可能 “转变”，库恩将这个过程比作一场政治革命。
主流观点还定义了科学界将接受哪些问题为科学问题，以及鼓励（和资助）研究人员研究哪些问题。正如库恩在他的书中所承认的：“其他问题，包括许多以前的标准问题，被视为形而上学问题、另一个学科的关注点，或者有时被认为太成问题而不值得花费时间。” 库恩关于常规科学的观点可以应用于 “主流” 物理学。到 20 世纪 50 年代，物理学界对主流之外的基础问题普遍漠不关心。这些问题被认为属于哲学课堂，而哲学在物理学中没有立足之地。默明的教授们并非如他最初所想的是 “哥本哈根的代理人”。正如他后来告诉我的，他的教授们 “对理解玻尔没有兴趣，并且认为爱因斯坦对 [量子力学] 的厌恶很愚蠢”。相反，他们 “只是对哲学漠不关心。就是这样。量子力学是有效的。为什么要担心它的含义呢？”
克劳泽更有可能是冒犯了主流物理学的正统观念。他在 1972 年对量子力学进行的实验测试遭到了冷漠对待，或者更积极地被斥为垃圾科学或边缘科学。毕竟，正如预期的那样，量子力学通过了克劳泽的测试，而且可以说没有发现新的东西。克劳泽没有获得学术职位，不是因为他敢于挑战哥本哈根诠释，而是因为他敢于挑战主流。正如一位同事后来告诉克劳泽的，他申请的一所大学的物理系成员 “认为整个领域都有争议”。然而，必须承认，哥本哈根诠释的持久神话也有一定的真实性。玻尔个性强势且专横。他希望与量子理论紧密相连，就像爱因斯坦与相对论紧密相连一样。玻尔学派的物理学家接受互补性是这个问题的定论。其中最激烈的是玻尔的 “斗牛犬” 莱昂・罗森菲尔德（Léon Rosenfeld）、沃尔夫冈・泡利（Wolfgang Pauli）和沃纳・海森堡（Werner Heisenberg），尽管他们对该诠释的实际含义都有不同的看法。
他们确实试图打压对手。法国物理学家路易・德布罗意（Louis de Broglie）的 “导波” 诠释恢复了因果关系和决定论，在这个理论中，真实粒子由真实波引导，但在 1927 年被泡利否决。大约 30 年后，美国物理学家休・埃弗雷特（Hugh Everett）的相对态或多世界诠释被罗森菲尔德驳回，正如他后来描述的，是 “极其错误的想法”。罗森菲尔德还补充说，埃弗雷特 “笨得无法形容，连量子力学中最简单的东西都不懂”。

非正统诠释

但是，哥本哈根诠释的神话起到了重要的作用。它激发了一个原本可能被忽视的研究方向。爱因斯坦很喜欢玻姆的《量子理论》，并于 1951 年春天邀请他到普林斯顿见面。他们的讨论促使玻姆放弃了玻尔的观点，进而重新提出了德布罗意的导波理论。
他还针对 EPR 挑战提出了一种替代方案，有望转化为实际实验。
被玻尔的模糊性搞得困惑不已，又在学生教科书中找不到慰藉，同时受到玻姆的启发，爱尔兰物理学家约翰・贝尔（John Bell）开始反对哥本哈根诠释，并于 1964 年在玻姆版本的 EPR 基础上发展出了如今著名的定理。假设纠缠粒子 A 和 B 是局域实在的，这会导致与量子力学预测不相容的结果。这不再仅仅是哲学家的问题，而是关乎真实的物理学。
克劳泽在哥伦比亚大学修读高等量子力学研究生课程时考了三次才通过，因为他的大脑 “有点抗拒学习这个”。他怪罪于玻尔和哥本哈根诠释，后来找到了玻姆和贝尔，并在 1972 年成为第一个用纠缠光子对贝尔定理进行实验测试的人。
法国物理学家阿兰・阿斯佩（Alain Aspect）同样努力探寻 “数学背后的物理世界”，对互补性感到困惑（“玻尔的理论让人无法理解”），后来也找到了贝尔。1982 年，他进行了一项具有标志性的贝尔定理测试，在纠缠光子对飞行过程中改变测量其属性的仪器设置。这样就避免了光子通过相互传递信息或影响来使自身产生关联，因为在它们相距太远之前，测量的性质尚未确定。所有这些测试都支持了量子力学和非局域性。
尽管更广泛的物理学界仍然认为测试量子力学是边缘科学，大多是浪费时间，但揭示出一个此前未被怀疑的现象 —— 量子纠缠和非局域性 —— 并非如此。阿斯佩的研究得益于美国物理学家理查德・费曼（Richard Feynman），他在 1981 年发表了自己版本的贝尔定理，并推测了建造量子计算机的可能性。1984 年，IBM 的查尔斯・贝内特（Charles Bennett）和加拿大蒙特利尔大学的吉尔斯・布拉萨德（Giles Brassard）提出将纠缠作为一种创新的量子密码学系统的基础。
人们很容易认为这些发展最终使量子基础研究进入了主流物理学领域，使其变得受人尊重。但事实并非如此。据帮助创立量子信息科学及其量子技术前景的奥地利物理学家安东・塞林格（Anton Zeilinger）说，即使是从事量子信息研究的人也认为基础研究 “不是正确的方向”。“我们不明白原因。肯定是心理原因之类的，非常深层次的原因，” 塞林格说。
通过将 2022 年诺贝尔物理学奖授予克劳泽、阿斯佩和塞林格，诺贝尔奖机构不一定就对基础研究变得友好。诺贝尔物理学委员会主席安德斯・伊尔贝克（Anders Irbäck）在评论该奖项时说：“越来越明显的是，一种新型的量子技术正在兴起。我们可以看到，获奖者在纠缠态方面的工作非常重要，甚至超越了关于量子力学诠释的基本问题。” 或者更确切地说，他们的工作之所以重要，是因为少数持不同意见者（如玻姆和贝尔）的努力，他们准备抵制主流物理学的正统观念，而他们将这种正统观念视为持久的神话。
从玻尔 - 爱因斯坦之争和纠缠之谜中得到的教训是：即使我们准备承认这个神话，我们仍然需要谨慎。海尔布伦警告不要随意摒弃：“你今天摒弃的神话可能包含你明天需要的真理。”
吉姆・巴戈特是南非开普敦的一名科学作家。他与约翰・海尔布伦合著了《量子戏剧》。电子邮箱：[email protected]

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