下一個(gè)愛因斯坦何時(shí)出現(xiàn)？

2035年5月的一天早晨，阿爾伯特教授像往常一樣準(zhǔn)時(shí)來到普林斯頓高等研究院的辦公室。他來普林斯頓小鎮(zhèn)快兩年了，已經(jīng)熟悉并開始喜歡這個(gè)恬靜的“世外桃源”。辦公桌上放著他剛剛發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的論文。他拿起來看了看，臉上露出孩子般頑皮的微笑——他終于揭開了量子糾纏之謎，并找到了通往量子實(shí)在的道路。

撰文：高山（山西大學(xué)科學(xué)技術(shù)哲學(xué)研究中心教授）

也許，上面這段話不只是科幻小說里的情節(jié)。也許，下一個(gè)愛因斯坦真的會(huì)在不久的將來揭開量子糾纏之謎，并發(fā)現(xiàn)量子實(shí)在的真實(shí)圖像。

1935年，是愛因斯坦最早讓人們注意到量子糾纏，然而它的出現(xiàn)卻使人們對(duì)實(shí)在的探尋越來越遠(yuǎn)離愛因斯坦所留戀的經(jīng)典之岸。它最終會(huì)把我們引向何方呢？歷史也許會(huì)告訴未來。

20世紀(jì)初物理學(xué)的“兩朵烏云”

20世紀(jì)初，物理學(xué)家面臨兩大難題。第一個(gè)難題涉及光波的粒子性質(zhì)。由于波動(dòng)需要媒介，而被認(rèn)為用來傳播光波的媒介——以太在實(shí)驗(yàn)上并未發(fā)現(xiàn)，從而暗示光將具有某種粒子屬性；第二個(gè)難題涉及物質(zhì)的波動(dòng)性質(zhì)。利用原子和分子的粒子性質(zhì)所導(dǎo)出的氣體比熱容無法與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相一致，從而說明物質(zhì)也具有某種波動(dòng)性質(zhì)。

第一個(gè)難題暴露出了19世紀(jì)兩大基礎(chǔ)理論——牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁場(chǎng)理論之間的深刻矛盾。這一矛盾促使愛因斯坦創(chuàng)立了狹義相對(duì)論（1905），并試探性地提出光量子假說（1905）。不過，相對(duì)論并未徹底解決這一難題。由于相對(duì)論的成功，場(chǎng)作為與粒子相對(duì)立的新的物質(zhì)存在形式漸漸被人們普遍接受，并成為愛因斯坦試圖建立統(tǒng)一場(chǎng)論并完善量子力學(xué)的根本基礎(chǔ)。但是，量子場(chǎng)論的發(fā)展卻再一次證明了場(chǎng)與粒子的統(tǒng)一性。必須承認(rèn)，人們的所有努力仍未最終解決光究竟是怎樣一種物質(zhì)存在形式的問題。

圖1. Albert Einstein (1905)

關(guān)于第二個(gè)難題，它在歷史上導(dǎo)致了量子理論的誕生，也正是愛因斯坦第一個(gè)清晰地認(rèn)識(shí)到這一困難與物質(zhì)的波動(dòng)性有關(guān)（1909）。愛因斯坦的認(rèn)識(shí)引導(dǎo)德布羅意大膽提出了物質(zhì)波思想，并最終導(dǎo)致薛定諤發(fā)現(xiàn)了量子理論的波動(dòng)力學(xué)形式。然而，盡管人們普遍認(rèn)為量子理論的數(shù)學(xué)形式體系已被牢固地建立起來，但關(guān)于它的物理意義問題卻一直爭(zhēng)論不休。這本質(zhì)上仍然涉及如何理解物質(zhì)的粒子性質(zhì)和波動(dòng)性質(zhì)的統(tǒng)一[1]。

圖2. Albert Einstein (1915)

相似的困境

在科學(xué)已邁入21世紀(jì)的今天，我們竟面臨相似的困境。一方面，20世紀(jì)初人們所遇到的兩大難題的核心——波粒二象性仍然沒有被真正理解，它的神秘仍在困擾著我們；另一方面，令人回味的是，上世紀(jì)初，人們?yōu)榱私鉀Q牛頓力學(xué)與麥克斯韋電磁場(chǎng)理論之間的矛盾而創(chuàng)立了新的基礎(chǔ)理論—相對(duì)論和量子力學(xué)，然而在本世紀(jì)初，人們卻發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)理論之間同樣存在著根本的矛盾；量子力學(xué)的非定域性與相對(duì)論的定域性之間的不相容問題甚至被稱為20世紀(jì)末物理學(xué)晴空中的又一朵烏云[2]。

實(shí)際上，我們今天面臨著更大的困難。原因在于：一方面，大多數(shù)物理學(xué)家在思想上對(duì)這種困難局面并未形成清晰的認(rèn)識(shí)，并且大量新解釋的出現(xiàn)也使這一觀念上的困難變得更加錯(cuò)綜復(fù)雜；另一方面，隨著人類探索自然的不斷深入，實(shí)驗(yàn)技術(shù)越來越落后于理論研究，它現(xiàn)在還無法指示我們?nèi)绾稳f(xié)調(diào)和統(tǒng)一相對(duì)論與量子力學(xué)。

無疑，我們需要新的愛因斯坦，需要找回那個(gè)有思想、有活力、藐視一切權(quán)威的毛頭小伙子。為此，我們首先要超越愛因斯坦。在他提出光量子假說、建立相對(duì)論后一百年的今天，如果人們還無法超越他最初的思想，甚至不敢談?wù)摮竭@件事，那不是表明愛因斯坦的偉大，而是說明人類的渺小。超越是科學(xué)發(fā)展的必經(jīng)之路！

圖3. Albert Einstein (1949)

讓我們還是引用愛因斯坦自己的話吧，他在1949年曾說過，“我感到在我的工作中沒有任何一個(gè)概念會(huì)很牢固地站得住的，我也不能肯定我所走的道路一般是正確的?！盵3]對(duì)于相對(duì)論，愛因斯坦則認(rèn)為，“它肯定會(huì)被一個(gè)新的理論所取代……我相信深化理論的進(jìn)程是沒有止境的?！盵3]

超越愛因斯坦：經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)

從經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)方面來看，愛因斯坦是難以超越的?；谒乃枷胨⒌南鄬?duì)論和量子理論已經(jīng)得到了極其精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。例如，量子場(chǎng)論的預(yù)言與實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)吻合到小數(shù)點(diǎn)后的第14位，甚至更多[4]。尤其是，至今還沒有一個(gè)確定的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)與這些理論的預(yù)測(cè)相違背。這意味著，沒有任何經(jīng)驗(yàn)啟示引導(dǎo)我們?nèi)コ綈垡蛩固?，而那些超越他的新思想也幾乎無法得到實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。相比之下，愛因斯坦最初產(chǎn)生他偉大思想的時(shí)代則充滿了不斷發(fā)現(xiàn)的新經(jīng)驗(yàn)。它們要求并引導(dǎo)人們對(duì)物理學(xué)的基礎(chǔ)進(jìn)行變革，而新的思想也容易得到實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

更為嚴(yán)重的是，新經(jīng)驗(yàn)的缺乏導(dǎo)致了大多數(shù)物理學(xué)家對(duì)今天的困難局面缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。他們?cè)絹碓节呄蛴诒Ｊ睾蛯?shí)用，而忽略對(duì)思想本原的探求。他們不理解光速為何不變或時(shí)空變換為何是洛侖茲變換（它涉及相對(duì)論的基礎(chǔ)），也不清楚波函數(shù)是否坍縮以及如何坍縮（它涉及量子理論的基礎(chǔ)）[1]，并且對(duì)這種不理解習(xí)以為常，甚至視而不見。正如愛因斯坦所言，“今天，在原則問題上居統(tǒng)治地位的仍然是教條式的頑固?！盵3]

一個(gè)直接后果是，大量研究經(jīng)費(fèi)投入到更加實(shí)用的研究領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域是在現(xiàn)有理論適用范圍之內(nèi)的。這些研究并不能指示人們?nèi)绾纬綈垡蛩固梗绾伟l(fā)展目前的基礎(chǔ)理論，反而更增加了他的權(quán)威性，增加了人們的保守性。在這些領(lǐng)域內(nèi)工作的研究者會(huì)得到更多的回報(bào)，獲得更多的權(quán)威性，反過來，他們便更加維護(hù)現(xiàn)有理論，而他們的保守看法甚至也成為了主流學(xué)術(shù)期刊的審稿標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，愛因斯坦是十分幸運(yùn)的。當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)氛圍比較寬松，學(xué)術(shù)期刊的編委和審稿人思想也更加開明。

超越愛因斯坦：思想

從思想本身來說，愛因斯坦似乎又是可以超越的。他的工作主要基于幾個(gè)原理和假設(shè)，而這些假設(shè)都源于當(dāng)時(shí)人們所獲得的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)。只要理解了這些假設(shè)，便邁出了超越愛因斯坦的第一步；下一步是根據(jù)新的經(jīng)驗(yàn)甚至已有經(jīng)驗(yàn)，從理論上分析如何發(fā)展他的這些思想。這些思想并不是基本的，它們或者有更深刻的邏輯和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，或者存在一定的局限性，而愛因斯坦并未認(rèn)識(shí)到這些基礎(chǔ)和局限性。一旦發(fā)現(xiàn)它們，我們便超越了愛因斯坦，并為物理學(xué)建立了更堅(jiān)實(shí)的根基。

圖4. 1999年12月26日，愛因斯坦被美國(guó)《時(shí)代》周刊評(píng)選為“世紀(jì)人物”

我們知道，愛因斯坦一生主要有三個(gè)偉大思想，那就是光量子假說（26歲），狹義相對(duì)論（26歲）和廣義相對(duì)論（36歲）。在“最具革命性”的光量子假說中，愛因斯坦當(dāng)時(shí)并未理解普朗克發(fā)現(xiàn)的黑體輻射公式，甚至認(rèn)為它是錯(cuò)誤的，而只是片面地堅(jiān)持光的粒子解釋。直到1909年，他才認(rèn)識(shí)到光的波粒二象性。盡管愛因斯坦一生的大部分時(shí)間都在思索神秘的量子，但是他仍然未能理解光量子。愛因斯坦晚年坦言承認(rèn)，“整整50年有意識(shí)的思考仍沒有使我更接近‘光量子是什么’這個(gè)問題的答案?！盵3]

在狹義相對(duì)論中，愛因斯坦巧妙地將光速不變假設(shè)與相對(duì)性原理調(diào)和起來，并因此發(fā)現(xiàn)了時(shí)空的相對(duì)性。然而，這兩個(gè)原理更多地是來自經(jīng)驗(yàn)的啟示，愛因斯坦并未進(jìn)一步分析它們的邏輯基礎(chǔ)。他似乎不關(guān)心光速為何不變，也不確定相對(duì)性原理是否存在局限性；在他“一生中最快樂的思想”——廣義相對(duì)論中，愛因斯坦注意到了慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等效的深遠(yuǎn)含義，并因此將相對(duì)性原理成功推廣到任意參照系，從而解釋了引力現(xiàn)象。不過，愛因斯坦只是簡(jiǎn)單地假設(shè)了慣性力與引力的等效性，但作為廣義相對(duì)論基礎(chǔ)的這種等效性并未得到進(jìn)一步解釋。此外，廣義相對(duì)論仍然是一個(gè)經(jīng)典理論，它沒有考慮量子效應(yīng)。愛因斯坦后半生致力于建立統(tǒng)一場(chǎng)論，他的主要意圖也是要尋求量子與引力的結(jié)合。遺憾的是，他并沒有成功。

可以說，盡管愛因斯坦的三個(gè)主要思想對(duì)物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響，但是它們的邏輯基礎(chǔ)仍然沒有建立起來。愛因斯坦沒有理解它們，今天的人們也未能真正理解。

此外，愛因斯坦的思想中還存在很多經(jīng)典偏見。正如愛因斯坦自己所言，他不是一個(gè)革命者。愛因斯坦是在經(jīng)典理論的熏陶下成長(zhǎng)起來的，他的相對(duì)論也是對(duì)經(jīng)典理論的完善和發(fā)展。因此，他不可避免地對(duì)經(jīng)典觀念有一種深深的眷戀。例如，愛因斯坦最早注意到隨機(jī)性在量子層次上的出現(xiàn)（1916），但卻仍然固執(zhí)地維護(hù)經(jīng)典的因果性信念。他最著名的一句話就是“上帝不擲骰子”；愛因斯坦也最早注意到量子非定域性的存在（1927），可是他卻將其斥為“幽靈般的超距作用”，而始終篤信定域性假設(shè)。

另一方面，從科學(xué)研究方法上看，愛因斯坦的思想求索還不夠深入。他過多地局限于在經(jīng)驗(yàn)的層面上研究，在經(jīng)驗(yàn)的啟示下探索，而沒有對(duì)經(jīng)驗(yàn)啟示進(jìn)行更深入的邏輯探求。例如，愛因斯坦將光速不變假設(shè)作為建立狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)，但他卻沒有進(jìn)一步追問光速為何不變。這也是導(dǎo)致他始終抱有經(jīng)典偏見的主要原因之一。

圖5. 愛因斯坦在普林斯頓的辦公室（1955）

寄語

我們相信，無論實(shí)在世界多么陌生，多么怪異，多么遠(yuǎn)離我們的常識(shí)，它應(yīng)是邏輯所能及的。因此，在缺乏新經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的情況下，我們只有對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行更深入的剖析，對(duì)現(xiàn)有思想進(jìn)行更深入的探查。這需要牛頓所說的“耐煩思考的能力”。這些新的邏輯分析將會(huì)幫助我們從思想上超越愛因斯坦。

此外，在這樣的探索過程中，我們還必須始終懷有一種愛因斯坦所說的“宇宙宗教感情”。在分析一個(gè)重要的經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，在探查一個(gè)關(guān)鍵的邏輯論證時(shí)，如果沒有一種真正的思想融入，沒有一種莫名的沖動(dòng)和激情，沒有一種極度興奮的精神震顫，是不會(huì)有思想上的新發(fā)現(xiàn)、新突破的。這樣的思索過程可能會(huì)持續(xù)很久，直到一點(diǎn)靈感火花的閃爍，直到一個(gè)全新思想的突現(xiàn)。這是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的必經(jīng)之路。

參考文獻(xiàn)

[1] Shan Gao, The Meaning of the Wave Function: In Search of the Ontology of Quantum Mechanics. Cambridge: Cambridge University Press, 2017.

[2] Mary Bell and Shan Gao (eds.)，Quantum Nonlocality and Reality: 50 Years of Bell’s Theorem. Cambridge: Cambridge University Press, 2016.

[3] 愛因斯坦，愛因斯坦文集，第一卷. 許良英等編譯. 北京：商務(wù)印書館，1994.

[4] D. Hanneke, S. Fogwell, and G. Gabrielse. New Measurement of the Electron Magnetic Moment and the Fine Structure Constant.Phys. Rev. Lett. 100, 120801, 2008.

本文為高山與郭光燦院士合著《愛因斯坦的幽靈——量子糾纏之謎》一書的跋，經(jīng)作者授權(quán)刊發(fā)，有修訂。