内容提要
這是一場十分尖銳、激烈和曠日持久的論戰，但論戰雙方卻始終保持着真摯、深厚的友誼，這是一場真正的學術論戰，是學術論戰的光輝典範。這場論戰大大地促進了人們對量子論本質更深刻的認識，并且支援和深化了正統量子力學觀點，同時也開辟了量子資訊學等這樣一些有廣大應用前景的新研究方向。
20世紀初建立的量子力學，在實體學界引起了一場異常激烈而且曠日持久的論戰。這場論戰的參與者都是當時理論實體的精英，主要有以尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）為核心的哥本哈根派，包括波昂（Max Born）、海森堡（Werner Karl Heisenberg）、泡利（Wolfgang Ernst Pauli）；還有就是哥本哈根派的反對者，主要有阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）、路易斯·德布羅意（Louis de Broglie）、薛定谔（Schrödinger）。論戰的内容涉及到對量子力學的實體圖景、基本原理、完備性甚至哲學基礎和世界觀等根本問題的争論。
根據論戰内容和時間可将這場大論戰劃分為四個階段：第一階段，1926年薛定谔應玻爾邀請到哥本哈根做《波動力學的基礎》的演講并由此爆發第一次論戰；第二階段，1927年第五屆索爾維會議上關于“新量子理論的意思”的第二次論戰；第三階段，1928年第六屆索爾維會議上關于不确定原理的第三次論戰；第四階段，1935年EPR論文發表，引起了關于量子力學對實體實在描述的完備性的第四次論戰。
四次論戰的内容極為豐富，而且極具深度，觸及到實體學的基礎和哲學的基本問題。
一、論戰爆發
▲薛定谔方程
1925年至1926年薛定谔從經典力學的哈密頓——雅可比方程出發，利用變分法和德布羅意物質波理論，将電子看成德布羅意波，用一個波動方程表示，最後得到一個非相對論的波動方程，即著名的薛定谔方程，方程中的波函數用來描述微觀粒子的狀态，薛定谔的這套理論就是後來所謂的波動力學。雖然薛定谔方程也能産生玻爾原子的量子化能級，但是薛定谔認為這應該表現為振動着的物質波的諧函數而不是跳躍的電子。此後薛定谔很快證明了他的“波動力學”在數學上同哥本哈根學派的“矩陣力學”是等價的。薛定谔認為：波函數本身代表一個實在的和實體的可觀測量，即使在原子量級上，經典的連續過程和絕對的決定論照樣成立。而以玻爾為核心的哥本哈根學派認為：波函數的平方代表粒子在空間某點出現的機率，在微觀領域中，因存在着測量程式對所論述的實體量賴以定義的條件的影響，量子規律本質上是統計性的，非決定論的。由于雙方對波函數實體意義的诠釋不同，造成了對量子力學本質規律認識上的重大分歧，而孕育其中的論戰也就在這年夏末爆發了。
夏末時候，希望讨論這個分歧的海森堡來到慕尼黑，參加了薛定谔的一個發言讨論會，海森堡試圖指出薛定谔觀點中的問題并發表自已的見解。他回憶說：“顯然，我的觀點沒有對任何人産生影響，包括平時對我關懷備至的索末菲（A. J. Sommerfeld)在内，大家都被薛定谔數學的巨大成功征服了。”海森堡在聽了薛定谔的報告後非常興奮，當天晚上就給在哥本哈根的玻爾寫信。這封信觸動了玻爾，于是在9月11日玻爾寫信給薛定谔邀請他到哥本哈根來演講，薛定谔愉快地接受了邀請，開始了那次重要的哥本哈根之行。他于10月1日到達哥本哈根， 10月4日為丹麥實體學會發表了題為《波動力學的基礎》的演講。在演講報告中，薛定谔提出了一個與 “哥本哈根觀點” 相反的見解：“波函數本身代表一個實在的和實體的可觀測量。”薛定谔演講之後，玻爾和海森堡等人盡力克制自己，避免學術分歧造成感情上的不快，在講演後的歡宴上，他們極盡地主之誼，祝賀薛定谔演講成功。
第二天下午論戰爆發了，在此後的四天時間裡，玻爾、海森堡便單刀直入和薛定谔較量，争論集中在如何解釋量子理論方面。海森堡後來回憶說：“玻爾雖然是一個非常周到和有禮貌的人，但在讨論到他認為是極端重要的認識論問題時，他能頑強地堅持己見，并以可怕的不留情面的态度要求所有論點具有完全明确性，甚至在若幹小時的奮戰後，他也不讓步，直到薛定谔承認了他的闡述是不充分的，并且不能解釋普朗克的法則，薛定谔所有想繞過這個苦澀結果的企圖都逐個在無限吃力的讨論中慢慢被駁倒。”
薛定谔患了感冒并躺倒在床上，不幸的是他留在玻爾家中。玻爾繼續坐在床邊對他說：“薛定谔，不管怎樣你得承認……”薛定谔接近發火了，他叫道：“假如我們還是擺脫不了這些該死的量子躍遷的話，那麼我甯用從來沒有涉足過什麼量子力學。”玻爾總是對能搞清了解的争論感到高興，他用稱贊使他的精疲力竭的客人安靜下來：“但我們都感謝你搞了原子理論，因為你給原子實體的前進帶來決定性的一步。”
最後，第一次論戰以誰也沒有被對方說服，薛定谔回到慕尼黑而結束。
顯然這次論戰的焦點是如何對波函數的實體意義進行诠釋。薛定谔認為波函數本身代表一個實體實在的可觀測量，電子的确在空間中實際地如波般擴散開去，例如電子的波函數和電子的電荷相乘，就代表了電子的電荷在空間中的實際分布。這樣一來，薛定谔的理論就回到了經典的連續過程和決定論上了。玻恩等哥本哈根派認為波函數本身是個不可觀測量，波函數的平方代表粒子在空間某點出現的機率，電子本身不會像波那樣擴充開去，隻是它在空間出現的機率像一個波，嚴格地按照波函數的分布展開。如此一來，量子規律本質上是統計性的，非決定論的。
二、第五屆索爾維會議上的論戰
1927年第五屆索爾維會議在布魯塞爾召開，會議從10月24日到29日，為期6天。會議主題是“電子和光子”，其議程如下：首先勞倫斯·布拉格做關于X射線的實驗報告；然後康普頓報告康普頓實驗以及其和經典電磁理論的不一緻；接下來，德布羅意做量子新力學的演講，主要是關于粒子的德布羅意波；随後，波昂和海森堡介紹量子力學的矩陣理論，而薛定谔介紹波動力學；最後，玻爾在科莫演講的基礎上再次做那個關于量子公設和原子新理論的報告，進一步總結互補原理，給量子論打下整個哲學基礎。
兩位實驗實體學家做完報告後，大家就對他們的實驗做了探讨。然後德布羅意做了報告，他試圖把粒子融合到波的圖像裡去，提出了一種“波導”的理論，認為粒子是波動方程的一個奇點，它必須受波的控制和引導。報告一結束，泡利就批評了這個理論，他首先不能容忍曆史車輪倒轉，回到一種傳統圖像中，然後他引了一系列實驗結果來反駁德布羅意，最後，德布羅意不得不公開聲明放棄他的觀點。随後，波昂和海森堡報告了他們的《量子力學》，他們在報告最後說：“我們主張，量子力學是一種完備的理論，它的基本實體假說和數學假設是不能進一步修改的。”薛定谔在他的報告《波動力學》中仍然堅持他那個非常傳統的解釋，還特别談到用這個理論如何處理多體問題。這樣一來薛定谔很自然地受到了很多人的“攻擊”，尤其是來自哥本哈根派的波昂和海森堡。海森堡評論說：“我從薛定谔的計算中看不到任何東西可以證明事實如同他所希望的那樣。”薛定谔承認他的計算确實還不太令人滿意，不過他依然堅持，談論電子的軌道是“胡扯”。波昂回敬道：“不，一點都不是胡扯。”專題報告之後，進行了一般性的讨論，洛倫茲作為科學委員會的主席主持了讨論。他在發言中表示，大多數與會者都建議在量子理論中放棄決定論，而他卻不同意，并尖銳地提出“人們是不是可以相信決定論？難道非決定論是在原理上不可避免的嗎？”在這簡短的挑戰性的導言後，他請玻爾發言。玻爾接受邀請，重複了他在科摩的講演《量子公設和原子理論的最近發展》。接着大家對玻爾的觀點進行了讨論，讨論中，玻恩提到愛因斯坦，說愛因斯坦曾經考慮過波動性粒子性如何協調的問題。在玻恩發言之後，愛因斯坦起來發言，表達了他對量子力學的一般性見解。
愛因斯坦認為：“由于對量子理論的應用領域的不同估價，可以從兩種觀點來看待這一理論。”第一種觀點把波函數看成是描述粒子在空間的實在分布；第二種觀點把波函數看成是描述粒子在空間出現的幾率分布。愛因斯坦承認，第二種觀點比第一種觀點更加完備，因為第二種觀點包含第一種觀點。盡管如此，他仍然反對第二種觀點。愛因斯坦設計了一個理想實驗來闡明他的觀點。設有一些電子射向開有一個小孔的壁障而到達一個半球形的底面，那麼如何了解電子到達底面的強度——波函數的平方？他認為隻有用第二種觀點解釋，但這必将帶來超距作用的結果。因為一個電子在未到達底面之前，它在屏上出現的幾率處處相等而在它到達底面的瞬間，它在其他點上的幾率就頓時為零，即它在到達底面的瞬間，影響了其他點上電子出現的情況，這顯然是一種超距作用。于是愛因斯坦認為從中可以清楚地看出哥本哈根解釋的内部沖突。
愛因斯坦這種用“超距作用問題”來反駁哥本哈根诠釋的意見引起了熱烈的讨論。可惜的是，玻爾等人的原始讨論記錄沒有資料儲存下來，至于最後玻爾如何對這個理想實驗進行分析，使愛因斯坦提不出反駁，我們就不得而知了，隻能通過幾位當事人的回憶來粗略地了解下當時的情景了。
海森堡在1967年的回憶裡說道：
“讨論很快就變成了一場愛因斯坦和玻爾之間的決鬥：當時的原子理論在多大程度上可以看成是讨論了幾十年的那些難題的最終答案呢？我們一般在旅館用早餐時就見面了，于是愛因斯坦就描繪一個思維實驗，他認為從中可以清楚地看出哥本哈根解釋的内部沖突。然後愛因斯坦、玻爾和我便一起走去會場，我就可以現場聆聽這兩個哲學态度迥異的人的讨論，我自己也常常在數學表達結構方面插幾句話。在會議中間，尤其是會間休息的時候，我們這些年輕人——大多數是我和泡利——就試着分析愛因斯坦的實驗，而在吃午飯的時候讨論又在玻爾和别的來自哥本哈根的人之間進行。一般來說玻爾在傍晚的時候就對這些理想實驗完全心中有數了，他會在晚餐時把它們分析給愛因斯坦聽。愛因斯坦對這些分析提不出反駁，但在心裡他是不服氣的。”
玻爾後來回憶說，愛因斯坦有一次嘲弄般地問他，難道親愛的上帝真的擲骰子不成？早在1926年愛因斯坦寫給玻恩的信裡，他就說：“量子力學令人印象深刻，但是一種内在的聲音告訴我它并不是真實的。這個理論産生了許多好的結果，可它并沒有使我們更接近‘老頭子’的奧秘。我毫無保留地相信，‘老頭子’是不擲骰子的。”
通過這次論戰，大家普遍認識到哥本哈根派關于波函數的解釋更具完備性，對量子力學的原理有了更深刻的認識，雖然愛因斯坦和薛定谔提出的反駁一一被玻爾等人駁回而暫時無語，但哥本哈根派的量子力學理論關于量子規律本質上是機率統計性的，非決定論的觀點是不會這麼容易讓虔誠信仰因果律的愛因斯坦心服口服的，更大規模、更加激烈的論戰即将到來。
三、第六屆索爾維會議上的論戰
1930年第六屆索爾維會議的主題原本是“物質的磁性”，但最後會議發展為關于量子力學基礎問題的争論，争論雙方主要集中在愛因斯坦和玻爾之間。
愛因斯坦試圖從能量和時間的測量方面來否認不确定關系，設計了一個後來被稱為“愛因斯坦光箱”的理想實驗。愛因斯坦在黑闆上畫了一個箱子，并說到，想象箱子裡充滿輻射，箱壁有一個可以用快門來開合的小孔。稱量箱子的重量，開啟快門一段時間，讓一個光子飛出，再稱量箱子的重量。品質的損失必定等于一個光子的品質，根據相對論質能公式，它可以換算成能量的損失。從原則上講，這一品質或能量損失可以無限精确地測定出來，是以光子的能量不确定性為零。而光子飛出時間的不确定性是有限的時間。這意味着兩種不确定性的乘積應當等于零，進而違背了能量——時間的測不準原理。
玻爾聽完愛因斯坦的講話後，感到十分震驚，頓時束手無策，玻爾遇到了嚴峻的挑戰。根據出席會議的實體學家羅森菲爾德回憶說：
“（玻爾）極力遊說每一個人，試圖使他們相信愛因斯坦說的不可能是真的，不然那就是實體學的末日了，但是他想不出任何反駁來。我永遠不會忘記兩個對手離開會場時的情景：愛因斯坦的身影高大莊嚴，帶着一絲嘲諷的笑容，靜悄悄地走了出去。玻爾跟在後面一路小跑，他激動不已，辭不達意地辯解說要是愛因斯坦的裝置真的管用，實體學就完蛋了。”
當天晚上，玻爾和他的同僚檢查了愛因斯坦光箱實驗的每個細節，經過一個夜的苦思，終于想出了一個從廣義相對論“紅移效應”的反駁愛因斯坦的方案。
羅森菲爾德接着說：
“第二天早上，玻爾的勝利便到來了。實體學也得救了。”
玻爾設想把箱子懸挂在一個精密的彈簧下面，并把快門與箱内的一個時鐘相連。他意識到，當時鐘随着光子的飛出而向上運動時，根據廣義相對論，時鐘在引力場中的位移必定會使其快慢發生改變。這就給時間間隔引入了一種不确定性。結果，玻爾的計算表明，能量——時間的測不準原理仍然成立。
這次論戰，愛因斯坦再次被擊敗了。1930年以後，他似乎承認了哥本哈根派關于量子力學理論内部邏輯的自洽性。1931年，他向瑞典科學院提名“波動力學或量子力學”的創始人薛定谔和海森堡為諾貝爾獎候選人。并于1932年和1933年，海森堡和薛定谔分别獲得了諾貝爾獎。但是愛因斯坦遠遠沒有對量子力學感到滿意，但仍對玻爾所了解的量子力學統計解釋持否定态度，因為量子理論本身并不能證明機率特性就是微觀粒子自身的屬性。是以接下來，愛因斯坦将攻擊方向轉移到量子力學的完備性上來，進而使論戰達到了頂峰。
四、EPR疑難
1935年愛因斯坦、波多爾斯基（Boris Podalsky）和羅森（Nathan Rosen）合寫一篇題為《量子力學對實體實在的描述可能是完備的嗎？》的論文，發表在《實體評論》雜志上。這篇論文對量子力學提出了最深刻的诘難，不但在實體學上而且在哲學上都達到了一個新的高度，這個诘難以三位發起者的首字母命名為 “EPR疑難”。
EPR 認為：自然界是一個實在，它存在于人類意識之外，我們可以通過觀察、實驗認識它的規律，并且這個規律與我們無關，僅僅屬于這外存的實在。雖然由于儀器的影響會出現實驗誤差，但因為客觀存在的性質是獨立的，不依賴我們的，是以我們最終能排除儀器的偏差而了解客體的真正性質。并認為任何一個完備的理論都必須包含這樣兩個前提：
1、實在性：現象的規律性是由某種獨立于人類觀察者之外而存在的實體客體所引起的。
2、定域性：即物體在空間的分離性。實體實體在空間可以彼此徹底不相關地存在，其理由是在我們的宇宙中沒有任何一類作用能比光速快。
接着，EPR提出了一個二體系統的理想實驗：
設一自旋為0的靜止粒子衰變成為兩個粒子A和B，“上”和“下”為粒子自旋沿任意方向的兩個本征态。按照量子力學，測量前系統處于自旋為單态的雙粒子糾纏态，即每個粒子的自旋處在一種“上”“下”兩個本征态的疊加态。現在我們對A粒子的自旋進行測量，于是它的波函數瞬間坍縮，随機地選擇了一個狀态。如測量結果為A粒子處于本征态“上”，則B粒子立刻自動處于本征态“下”；如測量結果為A粒子處于本征态“下”，則B粒子立刻自動處于本征态“上”。上述理想實驗說明了以下兩點：
1、測量結果必伴随着雙粒子态從它的疊加糾纏态坍縮到它的一個本征态，例如坍縮到本征态“上”或“下”，該過程是一個瞬時的非局域的非決定論的過程。
2、處于糾纏态中的二個粒子，即使不存在因果關連或其間隔為類空間隔，上述測量結果依然成立。
EPR認為情況1違背了完備性理論的實在性，情況2違背了完備性理論的定域性。雖然在微觀實體中，量子力學的計算結果能對實驗結果提供準确的預言，它的實體基礎卻是不完備的有待改進的，這就是著名的“EPR疑難”。
薛定谔對EPR論文進行了詳細的數學表示和推廣，并受此啟發，同年也發表了一篇題為《量子力學的現狀》的論文，提出了更多的疑難，如其中很著名的“薛定谔的貓”疑難。
同年7月13日《實體評論》編輯部收到了玻爾的論文，這篇文章的題目和EPR文章的題目一樣，也取名為《能認為量子力學對實體實在的描述是完備的嗎》，玻爾更仔細地闡明了他的“互補性原理”，然後從這種觀點出發，反駁EPR關于完備理論的實體實在性，力主量子力學對實體實在性的描述，進而肯定量子力學理論是完備的。玻爾認為EPR文章中所提出的那種關于實體實在性的判據，本身就是站不住腳的。進而EPR的論證也就不能說明量子力學的不完備性。玻爾認為：測量手段會影響賴以定義實體量的條件，而這種條件對于描述确定的“實體實在”的現象是必不可少的，例如兩個局部體系A粒子和B粒子在未觀測之前是一個用統一波函數描述的總體系——雙粒子糾纏态，它們是互相聯系的整體，正因為這種關聯，粒子的自旋處在疊加态，這時所謂的自旋不具有實體意義，直到對其中任何一個粒子的測量，自旋才能稱為确定的“實體實在”的現象，而這種測量必定會擾動原先作為整體的另一個粒子的狀态，因為兩粒子原本是協調統一的，之間就無需傳遞什麼超光速的資訊。這樣一來玻爾并不認為EPR的理想實驗違背了實體定域性，隻是不贊同他們關于實體實在性的描述。玻爾認為量子現象是一種整體性的概念，隻有在完成測量以後，才能稱得上是一個現象，純粹地屬于外在世界的性質、規律在量子力學中是不存在的。
EPR論證未被玻爾接受，同樣玻爾的反駁也不能令愛因斯坦信服。這場論戰表明，在EPR的“經典實在觀”看來，量子力學是不完備的，而在玻爾的“量子實在觀”看來，量子力學是非常完備和自洽的。
兩人在哲學基礎上的完全不同，直到愛因斯坦逝世也沒能得到調和。愛因斯坦的結論是：
“目前流行的看法是，隻有在實體實在的概念削弱之後，才能展現已由實驗證明了的自然界的二重性（粒子性和波性）。我認為，我們現有的實際知識還不能做出如此深遠的理論否定；在相對論性場論的道路上，我們不應半途而廢。”
這段話寫于他逝世的前三年1952年。在生命的最後三十年裡，愛因斯坦義無反顧地走上了這條道路，孤獨地尋找着一種比量子理論更為基本的理論。
1962年，就在玻爾去世的前一天，他還在黑闆上畫了當年愛因斯坦光箱實驗的草圖，解釋給前來的采訪者聽。這幅圖成了玻爾留下的最後手迹。
至此，量子力學發展史的這場大論戰也結束了，雖然這是一場十分尖銳、激烈和曠日持久的論戰，但論戰雙方卻始終保持着真摯、深厚的友誼，這是一場真正的學術論戰，是學術論戰的光輝典範。這場論戰大大地促進了人們對量子論本質更深刻的認識，并且支援和深化了正統量子力學觀點，同時也開辟了量子資訊學等這樣一些有廣大應用前景的新研究方向。
最後，送大家一張圖，來清楚闡釋這些實體學家都在争論什麼。
原文釋出時間為：2017-12-11
本文作者：陶卿
本文來源：
九州量子，如需轉載請聯系原作者。