下一個愛因斯坦何時出現(xiàn)？
2035年5月的一天早晨，阿爾伯特教授像往常一樣準時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恬靜的“世外桃源”。辦公桌上放著他剛剛發(fā)表在《物理評論快報》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在的道路。
撰文：高山（山西大學科學技術哲學研究中心教授）
也許，上面這段話不只是科幻小說里的情節(jié)。也許，下一個愛因斯坦真的會在不久的將來揭開量子糾纏之謎，并發(fā)現(xiàn)量子實在的真實圖像。
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)卻使人們對實在的探尋越來越遠離愛因斯坦所留戀的經(jīng)典之岸。它最終會把我們引向何方呢？歷史也許會告訴未來。
20世紀初物理學的“兩朵烏云”
20世紀初，物理學家面臨兩大難題。第一個難題涉及光波的粒子性質(zhì)。由于波動需要媒介，而被認為用來傳播光波的媒介——以太在實驗上并未發(fā)現(xiàn)，從而暗示光將具有某種粒子屬性；第二個難題涉及物質(zhì)的波動性質(zhì)。利用原子和分子的粒子性質(zhì)所導出的氣體比熱容無法與實驗測量結果相一致，從而說明物質(zhì)也具有某種波動性質(zhì)。
第一個難題暴露出了19世紀兩大基礎理論——牛頓力學和麥克斯韋電磁場理論之間的深刻矛盾。這一矛盾促使愛因斯坦創(chuàng)立了狹義相對論（1905），并試探性地提出光量子假說（1905）。不過，相對論并未徹底解決這一難題。由于相對論的成功，場作為與粒子相對立的新的物質(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)一場論并完善量子力學的根本基礎。但是，量子場論的發(fā)展卻再一次證明了場與粒子的統(tǒng)一性。必須承認，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)
關于第二個難題，它在歷史上導致了量子理論的誕生，也正是愛因斯坦第一個清晰地認識到這一困難與物質(zhì)的波動性有關（1909）。愛因斯坦的認識引導德布羅意大膽提出了物質(zhì)波思想，并最終導致薛定諤發(fā)現(xiàn)了量子理論的波動力學形式。然而，盡管人們普遍認為量子理論的數(shù)學形式體系已被牢固地建立起來，但關于它的物理意義問題卻一直爭論不休。這本質(zhì)上仍然涉及如何理解物質(zhì)的粒子性質(zhì)和波動性質(zhì)的統(tǒng)一[1] 。
圖2. Albert Einstein (1915)
相似的困境
在科學已邁入21世紀的今天，我們竟面臨相似的困境。一方面，20世紀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，上世紀初，人們?yōu)榱私鉀Q牛頓力學與麥克斯韋電磁場理論之間的矛盾而創(chuàng)立了新的基礎理論—相對論和量子力學，然而在本世紀初，人們卻發(fā)現(xiàn)這兩個理論之間同樣存在著根本的矛盾；量子力學的非定域性與相對論的定域性之間的不相容問題甚至被稱為20世紀末物理學晴空中的又一朵烏云[2] 。
實際上，我們今天面臨著更大的困難。原因在于：一方面，大多數(shù)物理學家在思想上對這種困難局面并未形成清晰的認識，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綜復雜；另一方面，隨著人類探索自然的不斷深入，實驗技術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)一相對論與量子力學。
無疑，我們需要新的愛因斯坦，需要找回那個有思想、有活力、藐視一切權威的毛頭小伙子。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，甚至不敢談論超越這件事，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概念會很牢固地站得住的，我也不能肯定我所走的道路一般是正確的?！?strong style="font-size: 16px; color: rgb(62, 62, 62); white-space: pre-wrap; max-width: 100% !important; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">[3] 對于相對論，愛因斯坦則認為，“它肯定會被一個新的理論所取代……我相信深化理論的進程是沒有止境的?！?strong style="font-size: 16px; color: rgb(62, 62, 62); white-space: pre-wrap; max-width: 100% !important; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">[3]
超越愛因斯坦：經(jīng)驗與現(xiàn)實
從經(jīng)驗和現(xiàn)實方面來看，愛因斯坦是難以超越的?；谒乃枷胨⒌南鄬φ摵土孔永碚撘呀?jīng)得到了極其精確的實驗驗證。例如，量子場論的預言與實驗結果已經(jīng)吻合到小數(shù)點后的第14位，甚至更多[4] 。尤其是，至今還沒有一個確定的經(jīng)驗事實與這些理論的預測相違背。這意味著，沒有任何經(jīng)驗啟示引導我們?nèi)コ綈垡蛩固?，而那些超越他的新思想也幾乎無法得到實驗的檢驗。相比之下，愛因斯坦最初產(chǎn)生他偉大思想的時代則充滿了不斷發(fā)現(xiàn)的新經(jīng)驗。它們要求并引導人們對物理學的基礎進行變革，而新的思想也容易得到實驗的檢驗。
更為嚴重的是，新經(jīng)驗的缺乏導致了大多數(shù)物理學家對今天的困難局面缺乏清晰的認識。他們越來越趨向于保守和實用，而忽略對思想本原的探求。他們不理解光速為何不變或時空變換為何是洛侖茲變換（它涉及相對論的基礎），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）[1] ，并且對這種不理解習以為常，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?！?strong style="font-size: 16px; color: rgb(62, 62, 62); white-space: pre-wrap; max-width: 100% !important; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">[3]
一個直接后果是，大量研究經(jīng)費投入到更加實用的研究領域，而這些領域是在現(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?，如何發(fā)展目前的基礎理論，反而更增加了他的權威性，增加了人們的保守性。在這些領域內(nèi)工作的研究者會得到更多的回報，獲得更多的權威性，反過來，他們便更加維護現(xiàn)有理論，而他們的保守看法甚至也成為了主流學術期刊的審稿標準。相比之下，愛因斯坦是十分幸運的。當時的學術氛圍比較寬松，學術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原理和假設，而這些假設都源于當時人們所獲得的經(jīng)驗事實。只要理解了這些假設，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)驗甚至已有經(jīng)驗，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)學基礎，或者存在一定的局限性，而愛因斯坦并未認識到這些基礎和局限性。一旦發(fā)現(xiàn)它們，我們便超越了愛因斯坦，并為物理學建立了更堅實的根基。
圖4. 1999年12月26日，愛因斯坦被美國《時代》周刊評選為“世紀人物”
我們知道，愛因斯坦一生主要有三個偉大思想，那就是光量子假說（26歲），狹義相對論（26歲）和廣義相對論（36歲）。在“最具革命性”的光量子假說中，愛因斯坦當時并未理解普朗克發(fā)現(xiàn)的黑體輻射公式，甚至認為它是錯誤的，而只是片面地堅持光的粒子解釋。直到1909年，他才認識到光的波粒二象性。盡管愛因斯坦一生的大部分時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，“整整50年有意識的思考仍沒有使我更接近‘光量子是什么’這個問題的答案。”[3]
在狹義相對論中，愛因斯坦巧妙地將光速不變假設與相對性原理調(diào)和起來，并因此發(fā)現(xiàn)了時空的相對性。然而，這兩個原理更多地是來自經(jīng)驗的啟示，愛因斯坦并未進一步分析它們的邏輯基礎。他似乎不關心光速為何不變，也不確定相對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)量等效的深遠含義，并因此將相對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，愛因斯坦只是簡單地假設了慣性力與引力的等效性，但作為廣義相對論基礎的這種等效性并未得到進一步解釋。此外，廣義相對論仍然是一個經(jīng)典理論，它沒有考慮量子效應。愛因斯坦后半生致力于建立統(tǒng)一場論，他的主要意圖也是要尋求量子與引力的結合。遺憾的是，他并沒有成功。
可以說，盡管愛因斯坦的三個主要思想對物理學的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響，但是它們的邏輯基礎仍然沒有建立起來。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，他不是一個革命者。愛因斯坦是在經(jīng)典理論的熏陶下成長起來的，他的相對論也是對經(jīng)典理論的完善和發(fā)展。因此，他不可避免地對經(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性在量子層次上的出現(xiàn)（1916），但卻仍然固執(zhí)地維護經(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。
另一方面，從科學研究方法上看，愛因斯坦的思想求索還不夠深入。他過多地局限于在經(jīng)驗的層面上研究，在經(jīng)驗的啟示下探索，而沒有對經(jīng)驗啟示進行更深入的邏輯探求。例如，愛因斯坦將光速不變假設作為建立狹義相對論的基礎，但他卻沒有進一步追問光速為何不變。這也是導致他始終抱有經(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，無論實在世界多么陌生，多么怪異，多么遠離我們的常識，它應是邏輯所能及的。因此，在缺乏新經(jīng)驗事實的情況下，我們只有對已有經(jīng)驗進行更深入的剖析，對現(xiàn)有思想進行更深入的探查。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”。在分析一個重要的經(jīng)驗現(xiàn)象時，在探查一個關鍵的邏輯論證時，如果沒有一種真正的思想融入，沒有一種莫名的沖動和激情，沒有一種極度興奮的精神震顫，是不會有思想上的新發(fā)現(xiàn)、新突破的。這樣的思索過程可能會持續(xù)很久，直到一點靈感火花的閃爍，直到一個全新思想的突現(xiàn)。這是科學發(fā)現(xiàn)的必經(jīng)之路。
參考文獻
[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)作者授權刊發(fā)，有修訂。
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