明年夏天是德国理论物理学家维尔纳·海森堡一百周年纪念日，当时德国理论物理学家维尔纳·海森堡前往北海赫尔戈兰岛躲避花粉热。在那里，他想出了如何以数学形式表达令人困惑的原子光谱观察结果——原子以明确的特征频率吸收和发射光。海森堡的导师、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔提出，可以根据这样的假设来理解光谱：原子的电子可能只拥有特定的能量，通过发射或吸收具有一定能量的单个“量子”光，从一个能级切换到另一个能级。与其频率成正比。光的量子假说是由阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 于 1905 年提出的，玻尔将其发展成为一种新的原子理论——尽管这种理论在经典术语中毫无意义。
通过将这些“量子跃迁”的允许能量表示为实验观察值的矩阵，海森堡将 特设，将新生的量子理论转化为真正的量子力学。他的矩阵代数意味着不可能同时以任意精度知道粒子的位置和动量。这种“不确定性原理”表明，量子物理学对我们对原子世界的了解施加了限制。
玻尔、海森堡和他们在哥本哈根的合作者继续认为，这种限制是根本性的。这并不是说我们注定要对事物到底是怎样的一无所知，而是说在对事物进行测量之前，“事物是怎样的”是没有意义的。这个建议引发了玻尔和爱因斯坦之间的善意但尖锐的争论，这场争论持续了他们一生的大部分时间。 “爱因斯坦无法做出让步。它会抹掉单独的、单独的物体，以及可接受的世界图景的基本特征，”约翰·海尔布隆和吉姆·巴戈特在他们的新书中写道 量子戏剧: 从玻尔-爱因斯坦之争到纠缠之谜. 物理学家兼科普作家巴戈特和于 2023 年去世的科学史学家海尔布隆讲述了量子力学的历史，从它的诞生到今天的量子信息技术的前沿。
爱因斯坦乐此不疲地对“哥本哈根”观点提出新的反对意见。 1930 年在比利时举行的索尔维会议上，当时顶尖的物理学家齐聚一堂，他向玻尔提出了一个自相矛盾的思想实验，涉及一个悬挂在弹簧上的重盒子，里面装有一个光子（会逸出）和一个固定的时钟。玻尔对这个谜题做出了回应，消除了许多疑虑，但似乎并没有让玻尔本人满意。 “他的余生都在为此烦恼，”海尔布隆和巴戈特说。 “他去世的那天，他的黑板上有一份该设备的粗略草图。”
爱因斯坦的反对暴露了量子力学极其违反直觉的本质——最著名的是 1935 年他与年轻同事鲍里斯·波多尔斯基 (Boris Podolsky) 和内森·罗森 (Nathan Rosen) 设计的一项思想实验。这个“EPR [爱因斯坦-波多尔斯基-罗森]实验”表明，一旦两个粒子相互作用，量子力学似乎坚持认为它们的性质此后保持相互依赖，这样测量就会在两者之间引发不可能的瞬时信号。与爱因斯坦一样反感哥本哈根观点的埃尔文·薛定谔将这种效应称为“纠缠”。
对于爱因斯坦来说，只有假设纠缠粒子始终具有固定的属性，才能解决 EPR 悖论，尽管这些属性是不可观察的，因此具有“隐藏变量”的特征。问题在于玻尔和爱因斯坦的解释做出了相同的实验预测。由于没有明显的方法来解决这个问题，它被搁置了，许多 1940 世纪 1950 年代和 XNUMX 年代的研究人员认为这种“基础”问题毫无意义，甚至不体面。当量子力学在实践中如此有效时，谁在乎呢？这就是美国物理学家大卫·默明（David Mermin）著名的“闭嘴并计算”的态度，这种态度在务实的美国尤其占主导地位。对这些问题感兴趣可能无异于职业自杀。据该书记载，默明在哈佛大学被告知：“如果你让自己被这些琐碎的事情分散注意力，你永远不会获得博士学位。”他评论说“那是一个非常不哲学的时代”。
诺贝尔奖获得者默里·盖尔曼指责玻尔对一代物理学家进行了洗脑，让他们认为量子力学的难题早已全部解决
在她的1999书中 量子对话，科学史学家玛拉·贝勒 指责玻尔和他的同事强加他们的哥本哈根正统观念，并边缘化或嘲笑其他解释，例如大卫·玻姆的“导频波”和休·埃弗里特的“通用波函数”，也称为量子力学的“多世界”解释。 诺贝尔奖获得者默里·盖尔曼 指责玻尔对一代物理学家进行了洗脑，让他们认为量子力学的难题早已全部解决。但海尔布隆和巴格特表明，将责任归咎于整个社区的冷漠更为公平。正如保罗·狄拉克（Paul Dirac）在谈到该理论的形而上学难题时所说：“许多人都过着长寿而富有成果的生活，却从未担心过[他们]。”
三十年“反对测量”
然而，这种态度在 1964 年开始发生变化，当时 北爱尔兰物理学家约翰·贝尔 找到了一种方法来区分所谓的隐藏变量模型和简单的量子力学。它所需要的只是一些严肃的思考——“量子创始人们都知道贝尔不等式中的一切，”作者说。
具有讽刺意味的是，贝尔提出了他著名的测试，因为他想找到玻里量子力学的缺陷。第一个进行实验测试的人约翰·克劳瑟（John Clauser）也是如此，他与加州大学伯克利分校的斯图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）合作。然而，那个实验以及后来进行的许多其他实验都无误地单独支持了量子力学，并排除了任何隐藏变量——至少是那些适用的变量。 当地 在测量之前为给定位置的每个粒子分配固定属性。 （这并不意味着玻尔是正确的，尽管似乎几乎不可能挽救爱因斯坦的地位。）这本书很好地描述了贝尔和克劳瑟的工作之后人们对量子基础的兴趣的复苏，特别是克劳瑟的同事 2022诺贝尔奖获得者安东·蔡林格和阿兰·阿斯佩克特。此类研究远非空洞的哲学思考，而是为量子计算和量子密码学等技术奠定了基础。
量子戏剧 讲述了一个复杂的故事，演员阵容庞大。虽然作者有时对读者要求很高，但我从未读过比这更好的叙述：平衡、权威且充满优雅的智慧。在描述几位早期量子先驱的日本之旅时，海尔布隆和巴戈特描述了如何在步行经过一座宝塔时“海森堡自发地爬上了它，并在呼啸的风中单脚站在它的最顶端（宽度 Δq），很高兴地保持了一个不确定性 Δp 太小，不足以把他撞倒。”
这本书不会适合所有人。与海尔布伦的早期著作一样 尼尔斯·玻尔：非常简短的介绍，它对玻尔原子的描述是如此技术性，除了专家之外，几乎所有人都无法理解，这在本书的早期造成了巨大的障碍。还有其他场合，例如在贝尔测试的描述中，人们渴望在细节中对定性意义进行简洁的总结。有时，读者会看到专家的一系列评论，但没有太多说明如何解决他们的矛盾。
但如果这使得这本书偶尔对普通读者来说具有挑战性，那么坚持不懈的回报是相当可观的。作为一本通俗水平的量子力学论述的作者，我犹豫是否建议把这些努力放在一边，转而写这本更充实的书——但我当然建议你在读完这本书之前谨慎对待所有此类论述。
- 2024 年牛津大学出版社 352 页 £25hb
