一百年前，一群物理學家動搖了科學的基礎(chǔ)，這震撼至今且仍在持續(xù)。

在1926年，哥本哈根理論物理研究院的火藥味漸濃。這所研究所是由丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）于10年前組建成立的。他將其打造成一個匯聚正在原子領(lǐng)域建立新物理理論的年輕科學家們的溫室。1925年，玻爾的一位學生，才華橫溢且雄心壯志的德國物理學家維爾納·海森堡（Werner Heisenberg），提出了一種新的原子理論。但是現(xiàn)在每個人都在為該理論的物理現(xiàn)實本質(zhì)展開激烈討論。

而對于哥本哈根的理論組而言，這個理論的提出意味著現(xiàn)實物理學的根基遠沒有被完善，物理學遠不止需要“修修補補”。

玻爾因其在1913年史無前例地提出的原子結(jié)構(gòu)理論而名譽科學界。受到德國物理學家馬克思·普朗克（Max Planck）于1900年提出的量子理論的啟發(fā)，玻爾認為原子中圍繞原子核運動的電子只能被束縛到具有特定能量的軌道上，并且只有通過發(fā)射或吸收離散的能量才可以在這些軌道之間實現(xiàn)跳躍，而這個分立的離散能量被稱為量子。

量子理論讓玻爾贏得了1922年的諾貝爾獎，但是這個理論只是單純簡單地將傳統(tǒng)的物理理論和普朗克的量子假說縫合起來。玻爾渴望一個能夠說明為什么原子具有這種量子化行為的解釋。這個解釋無法建立在從17世紀牛頓制定經(jīng)典力學定律以來的傳統(tǒng)物理理論，而是必須要建立在一個新的量子機制上。

這樣的一個“量子理論”最終在1925年的夏天由海森堡提出。當時海森堡因為得了花粉熱，在北海的赫爾戈蘭島上療養(yǎng)。這位雄心勃勃、大膽且充滿物理天賦的年輕人，早在1922年在哥廷根大學一場講座上挑戰(zhàn)玻爾的理論，受到了玻爾的關(guān)注。

1924年，玻爾邀請這位年輕人前往哥本哈根，兩人開始尋找一種方法，將量子假說用嚴謹?shù)臄?shù)學形式表達出來。海森堡也做出了類似玻爾在提出原子的量子理論時所展現(xiàn)的大膽嘗試：他摒棄傳統(tǒng)所堅持的一切理論基礎(chǔ)，一切從頭開始。他的理論嘗試包括：以矩陣的形式寫下原子發(fā)射光的頻率數(shù)值的實驗結(jié)果。這些矩陣可以用來進行計算，例如預測發(fā)射光的強度。

海森堡所提出的基于矩陣的量子力學看起來正是玻爾一直在等待的突破。玻爾給自己的前導師、新西蘭裔英國物理學家歐內(nèi)斯特·盧瑟福的信中寫道：“我們現(xiàn)在看到了發(fā)展原子結(jié)構(gòu)定量理論的可能性?！?/span>

然而，海森堡嚴謹?shù)木仃嚵W并沒有透露出這些數(shù)學對現(xiàn)實世界——即物質(zhì)、光和能量的物理本質(zhì)——意味著什么。這一留白是有意的。海森堡決定只基于實驗的結(jié)果進行研究，不對其描述的潛在現(xiàn)實做任何假設(shè)。

愛因斯坦的懷疑

到1926年，量子力學的解釋問題變得相當混亂。哥本哈根學派——包括玻爾、海森堡以及同事，如直言不諱的年輕奧地利人沃爾夫?qū)づ堇?/span>（Wolfgang Pauli）和他們的合作者馬克斯·玻恩（Max Born），海森堡在哥廷根的前導師——與阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein，他在1905年提出了光量子）和奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）等同行在如何解釋新的量子力學上存在分歧。來自哥本哈根學派的建議是，量子世界根本無法用在時空中相互作用的物體來形象化，這在愛因斯坦和薛定諤看來，似乎是放棄了科學努力追求的一切：描述現(xiàn)實的物理圖景。

更重要的是，在這一年初，薛定諤提出了一種與海森堡的量子力學形式相競爭的理論，這一理論是基于量子粒子可被描述為波的假設(shè)所展開的。這似乎慢慢展現(xiàn)了目前物理學家們正在研究的量子力學的物理圖景：矩陣是抽象和數(shù)學的，但波——即使是粒子實體如電子的波——也是大家所熟知的現(xiàn)實內(nèi)容。然而，海森堡似乎對于這種新理論對矩陣量子力學的明顯競爭感到沮喪，他將波動力學斥為“廢話”；薛定諤反過來也表示了他對矩陣力學中能量狀態(tài)之間突然的量子躍遷這一假設(shè)感到“厭惡”。

然而，很快哥本哈根學派內(nèi)部也出現(xiàn)了分歧。在試圖理解海森堡的想法時，玻爾發(fā)現(xiàn)自己與這位年輕的德國人的意見產(chǎn)生了沖突。玻爾傾向于接受薛定諤的波的概念，并提出了一個名為“并協(xié)原理”（complementarity）的概念，這成為了量子力學的基石：像電子這樣的物理實體可以表現(xiàn)為粒子或波的性質(zhì)，但這一個兩面性并不能在同一時間或同一實驗中同時出現(xiàn)。

海森堡并不太在意這種定性的想法，他更傾向于僅僅基于數(shù)學的推演。他后來寫道：“我們的討論常常持續(xù)到深夜，盡管付出了長時間的努力，但并沒有得出令人滿意的結(jié)論；我們倆都變得非常疲憊，而且相當緊張?！?/span>他們的分歧幾乎讓海森堡崩潰。

相對的荒謬：愛因斯坦和玻爾在量子物理學的解釋上有著著名的分歧。愛因斯坦對于量子物理學中“現(xiàn)實只意味著我們觀察到的東西”這一觀點感到不滿，他以一種惱怒的語氣質(zhì)疑，如果我們不去看月亮，月亮是否就不存在。這種觀點挑戰(zhàn)了愛因斯坦對于物理現(xiàn)實的理解，他認為科學的目標是揭示一個獨立于觀察者的客觀現(xiàn)實。

在1927年春天，玻爾出發(fā)去挪威進行滑雪旅行，并獨自思考了量子力學的問題。在他離開期間，海森堡撰寫了一篇論文，其中試圖解釋他的矩陣力學對于量子對象意味著什么。海森堡在論文中得出的結(jié)論似乎非常奇怪。

玻爾指出，量子粒子的一些屬性對是我們無法像我們希望的那樣同時精確測量的。如果我們更準確地測量了其中一個屬性，那么另一個屬性就必然會變得不那么確定。海森堡說，在自然界的核心存在著一種基本的不確定性。從經(jīng)典物理學的角度來看，這似乎很瘋狂，因為沒有什么能阻止我們同時測量一個大的經(jīng)典物體的速度和位置（如果做不到這一點，又怎么能對超速行駛進行罰款呢？）。

當玻爾在滑雪場上時，海森堡向他的導師玻爾提交了他的論文以供發(fā)表，但是只得到了玻爾對海森堡論文的反饋：論文中存在嚴重缺陷。海森堡試圖通過展示如何同時采用某種手段準確測量出伽馬射線激發(fā)出的電子的位置和速度，以此來說明他的“不確定性原理”（uncertainty principle），而這不可避免地會干擾到正在測量的對象本身。但玻爾認為，海森堡在這里忽視了伽馬射線的波動性——當然，他確實忽視了，因為他根本不喜歡量子力學中的波的概念。

隨后，雙方進行了更多激烈的討論，之后海森堡同意在論文末尾加上一條注釋，承認玻爾關(guān)于波粒二象性互補性的觀點?！案兄x上帝！”他寫信給父母說，“我與玻爾的友誼當然比物理學更重要?！?/span>

問題的關(guān)鍵不僅僅在于新的量子力學是否正確。至少對于哥本哈根學派來說——或者至少說玻爾和海森堡的觀點是一致的——這一理論挑戰(zhàn)了過去幾個世紀以來整個科學事業(yè)所依賴的假設(shè)。

他們認為，量子力學要求我們摒棄舊有的現(xiàn)實觀念，用更模糊、更不明確、更令人不安的主觀性來取代它?？茖W家們再也不能假設(shè)他們是在客觀地探索一個預先存在的世界。相反，似乎實驗者的選擇決定了所看到的內(nèi)容——事實上，決定了哪些內(nèi)容可以被視為真實。

換而言之，世界并不是簡單地、機械地存在那里，等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)關(guān)于它的所有事實。海森堡的不確定性原理表明，世界的這種事實只有在我們測量它們時才被確定。如果我們選擇精確地測量電子的速度（更嚴格地說，是其動量），那么代價是我們得接受——關(guān)于電子位置的事實根本不存在?；蛘叻粗嗳?。

然而，“在我們測量其中一個之前，位置或動量是什么？”這個問題是沒有答案的——不是因為我們只有觀測完之后才能夠知道，而是因為這個問題沒有意義。現(xiàn)實似乎會受到我們測量的方法的影響。愛因斯坦覺得這個想法很瘋狂。海森堡說，愛因斯坦拒絕承認“即使在原則上，也不可能發(fā)現(xiàn)完整描述一個物理過程所需的所有部分事實。因此，他斷然拒絕接受不確定性原理。”

一個世紀后，科學家們?nèi)栽跔幷摿孔恿W對現(xiàn)實本質(zhì)意味著什么這一問題。其它可以解釋量子力學的觀點也出現(xiàn)了，并引發(fā)了激烈的辯論。

其中之一是“導航波”（pilot-wave）理論，該形式的理論是由法國物理學家路易·德布羅意（Louis de Broglie）在20世紀20年代提出，并且直到20世紀50年代才由大衛(wèi)·玻姆（David Bohm）進一步發(fā)展完善。該理論認為，量子粒子是在時間和空間上具有明確屬性的真實實體，但它們在一個被稱為量子勢的神秘場中的波的影響下發(fā)生改變并相互作用。

也許對于量子力學理論，最受歡迎的解釋通常被稱為多重世界觀（many-worlds view），該觀點最初由美國物理學家休·埃弗雷特（Hugh Everett）于1957年提出。它認為，測量并沒有主動在量子力學允許的可能結(jié)果中選擇哪一個成為“現(xiàn)實”；相反，所有結(jié)果發(fā)生了，但它們發(fā)生在測量發(fā)生時所形成的不同的多重世界中。

2022年因?qū)α孔邮澜珉y以捉摸的本質(zhì)進行實驗研究方面的貢獻（糾纏光子實驗和證偽貝爾不等式）而獲得諾貝爾獎的物理學家安東·蔡林格（Anton Zeilinger）表示，在德布羅意-玻姆解釋的情況下，不可能證明“任何粒子都有現(xiàn)實的軌跡”。同時，埃弗雷特表示“在不同狀態(tài)中同時進行觀察，在本質(zhì)上是無法從實驗上進行驗證的。”

這些對量子行為的這些解釋表明，物理學家們想要找到量子力學和客觀現(xiàn)實的聯(lián)系。他們想要回歸哲學家們所說的現(xiàn)實主義，即事物具有確定的位置和屬性，無論我們?nèi)绾斡^測它們，或者我們是否觀測它們。但到目前為止，對量子世界的科學調(diào)查并沒有滿足現(xiàn)實主義者的要求。

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