上帝掷骰子吗

鲁大为

“上帝掷骰子吗？”这个问题直击整个量子力学理论框架的核心。

时至今日，即使一个对“量子力学”这一概念很陌生的年轻人，都或多或少对这句话，甚至对20世纪那场旷日持久的世纪论战有所了解。在当时，那场论战就是整个物理学界最大的谈资，论战双方的领袖——阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）和尼尔斯·玻尔（Niels Bohr），就是当仁不让的“流量明星”。

为了深入理解这个问题，我们先简略回顾一下量子力学早期的发展历史。1900年，为了解决黑体辐射疑难，德国物理学家普朗克提出了“能量子”模型。该模型通过把能量离散化，从理论上成功拟合出实验黑体辐射曲线。彼时，爱因斯坦21岁，刚从大学毕业；玻尔才15岁，可能还在中学学习。27年后，在索尔维会议上，两人分别成为物理经典派“气宗”和量子派“剑宗”的领袖人物，他们带领众多才华横溢的物理学家，开展最高规格的学术版“华山论剑”——第五届索尔维会议。

1927年举行的第五届索尔维会议，主题是新兴的量子力学。29名与会者中有17人获得了诺贝尔奖（图1-4）。值得一提的是，直到今天，索尔维会议还一直在举办，可见其影响力之大。

论战之前，爱因斯坦在1905年提出“光量子”假说，该假说通过把“本应该是一种电磁波”的光想象成一个个小的光微粒，成功解释了光电效应。玻尔在1913年提出了量子化的原子结构，用一种“半经典半量子”的混合模型成功解释了氢原子的能级结构和光谱。该模型脱胎于太阳系中的行星运动轨道（即“半经典”），但加入了普朗克的能量离散化假设（即“半量子”）。

基于氢原子模型的贡献，玻尔获得了诺贝尔奖。但是，笔者认为玻尔更伟大的贡献在于其对年轻人的鼓励和培养。作为丹麦人，玻尔很快回到哥本哈根建立了研究所，主要研究量子力学。随后，他身边很快就聚集了一批特立独行、不惧权贵的年轻人，诸如马克思·玻恩（Max Born）、海森堡、沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）等。自由的学术氛围是人类进步的核心要素，他们的思想碰撞很快擦出激烈的火花，共同创立了“哥本哈根学派”。

哥本哈根学派在创立之初就开始从哲学层面上思考量子问题。光和电子，它们时而像波、时而像粒子的“波粒二象性”到底意味着什么？其本源是什么？为什么我们每次只能看到它是波或者粒子的“一面”？最终，借助“拉斯维加斯之光”“酒吧神器”“大富翁之魂”——骰子，量子力学的“哥本哈根诠释”浮出水面。

骰子，代表一种不确定性。人们每次掷骰子，结果都是随机的，这和最讲究精密与确定性的物理学理应格格不入。可是，哥本哈根学派却偏偏对世界大声宣布，世间万物其实是由一个个骰子组成的！

哥本哈根学派的说法是什么意思呢？电影《变形金刚》中的“大黄蜂”拥有机器人和小黄车两种形态。每次女主角不去“看”它（物理学上，我们喜欢把“看”叫作“测量”）的时候，它可能处于两种形态中的一种。但女主角一旦回头“测量”了，就确定了大黄蜂此时到底是机器人还是小黄车。有时刚转过头一秒钟，再回头去“测量”的时候大黄蜂就变换了形态。哥本哈根学派提出的量子力学的“骰子假说”，学名叫“概率诠释”，就是类似的思想。

哥本哈根学派的核心观点就是“概率诠释”和“测量塌缩”。一个量子尺度的物体，它当前的状态其实是几种可能状态的“概率叠加”。在未被测量之前，我们完全无法预测物体真正的状态，这是一种真真正正的随机性；一旦启动了测量，物体就会“塌缩”成一种可能状态，仿佛它一直就是那种状态一样；如果你想得到其他的可能状态，就需要复制、粘贴一大堆相同的物体，并对每一个物体分别进行测量，再通过统计得出这几种可能状态的概率。

虽然该思想类似于“骰子实验”，但量子力学更纯粹。骰子的随机性其实是伪随机，出千高手完全可以掌控掷骰子的结果。量子力学则不同，这种随机性是真随机，没有“老千”可以控制。

我们还可以举出好多现实中哥本哈根诠释“反直觉”的例子。比如，月亮到底在不在天上呢？在你回头“测量”之前，它可能在天上也可能不在天上。一旦回头“测量”，它就安静地挂在那里，也可能消失不见。根据哥本哈根诠释，月亮消失虽然是一种可能状态，但它发生的概率极小，我们一生几乎无缘碰见。

但回到微观的量子世界，情况就完全不同了。以上这些在现实中荒谬至极的事，都可能在量子世界中出现。爱因斯坦、薛定谔、路易·德布罗意（Louis De Broglie）等组成的小团体就对这种量子力学的诠释方式非常不满，他们认为这已经触及了人类最基本的哲学思想之一的实在论。难道一个物体在不在那里，或者是不是某种状态不应该是一开始就决定好，或者说完全“实在”的吗？它怎么可能会是由观测者所决定的？即使放在“云雾缭绕”的量子世界，这种说法也是荒谬的。于是，论战拉开了序幕，以爱因斯坦为首的经典派对哥本哈根学派发起了猛烈的攻击，这其中无时无刻不在闪耀着智慧甚至可以说是艺术的火花。比如下面这段最经典的对话：

爱因斯坦：玻尔，上帝不掷骰子！

玻尔：老爱，请不要告诉上帝应该怎么做！

鲁大为，南方科技大学物理系助理教授，中国科学技术大学少年班学院学士，中国科学技术大学博士。曾在加拿大滑铁卢大学量子计算研究所做博士后研究。研究领域包括基于自旋磁共振体系的量子信息处理和相干控制，高量子比特系统的发展、表征和操控，量子模拟、量子纠缠和量子态重构。 2VYbagTuWDWp7DEjc/qF2Il5VdShM8JJEY+sifrlPUXH3JTESBMFZeaBNkylxe1h