四
经过两届索尔维会议的论战，哥本哈根诠释的逻辑自洽性经受住了严峻考验。蓄谋已久的“光盒佯谬”火焰山虽然烫了一下波尔的猴屁股，但最终居然还是让他过去了，这方面至少在短期内找不到隙可击了。爱因斯坦就属于那种撞了南墙也不回头的主，自洽性没问题是不是？咱再找下一个攻击点——完备性。第六届索尔维会议后爱因斯坦说过：波尔的理论在逻辑上是可能的，但却“与我对科学的直觉想法如此相左，以致我不能放弃对更具完备性的概念的寻求。”
1935年，希特勒的淫威已经把爱因斯坦驱赶到了美国的普林斯顿大学。这年的5月4日，《纽约时报》以醒目的大标题刊登一篇报道《爱因斯坦攻击量子理论——一位科学家和他的两个同事发现它尽管正确但并不完备》。这怎么看都像是“标题党”，要知道这可不是一张专业报纸，而是一张面对普罗大众的报纸，以爱因斯坦当时的大名鼎鼎，以当时普通民众对量子力学的了解，外行不得看爱因斯坦“科学打假”的热闹吗？这不是要误导不明真相的群众的恶意围观嘛？
事情的起因是这样的：1935年3月，爱因斯坦(Einstein) 与他的同事波多尔斯基(Podolsky) 和罗森(Rosen)合写了一篇论文《物理实在的量子力学描述能否认为是完备的？》，对量子力学的完备性提出质疑，这个质疑史称“EPR佯谬”（ EPR是三个作者姓的头一个字母）。五月份论文在美国《物理评论》第47期刊登。在论文未刊发之前，新闻记者就嗅到了这一动态，当作重大新闻发布出去了。我前面说的都是开玩笑，能把理论科学事件当重大新闻，说明确实是一个科学理论发展的黄金时代，挺羡慕的。
言归正传。EPR的大概意思是，我们眼前晕么两个东西：一个是物理学的对象，即独立存在的物理对象，物理对象有不同的变量叫“物理要素”；另一个就是物理学体系，以不同的符号和数值来表征物理要素，叫“物理量”。如果一个物理理论是完备的，那对于每一个物理要素，物理学就该有一个对应的物理量。比如空间这个物理对象，牛顿力学只有不同的长度这类物理量对应于空间的广延这个要素，而广义相对论不仅有广延的物理量，还有曲率这个物理量对应于空间弯曲这个要素，所以广义相对论就比牛顿空间理论更加完备。这个是“完备性判据”。还有一个“实在性判据”，说的是，如果我们不对对象实施干扰，也可以对对象精确地预测出一个物理量的值，那么，必定存在着一个物理要素与这个物理量对应。比如广义相对论预测了光线经过太阳表面时会发生1.7弧秒的弯曲，观察实测比这个数值仅多一点点。说明空间弯曲是实实在在的存在的。
量子力学显然不能满足这两个判据，因此，尽管量子力学是逻辑自洽的，并且还符合实验观测，甚至还可以预见新的事实，但它依然是不完备的。也就是说，现在的量子力学应当还有更深刻的基础，还应有更基本的理论，才能克服EPR佯谬，达到理论完备性的标准。因此哥本哈根诠释不是理论的终点，而仅仅是一个驿站。
波尔当时的助手罗森菲尔德说：EPR论文“对我们不啻当头一盆冷水，这对波尔的冲击尤为严重。”波尔别无选择——迎接挑战，捍卫新生的量子共和国！从第五届索尔维会议算起，这已经是经典派和现代派的第三次世界大战了，前两次是当面的激辩，这一次，这二位巨人已经没法在欧洲见面了。爱因斯坦现在是希特勒的通缉犯，连1933年的索尔维会议都不能参加。重洋远隔，二战前的政治风云诡谲险恶，却拦不住这对老冤家为物理学的前途掐架，想起来真的觉得可爱可敬可佩！
现在已经在苏黎世工业大学任教的泡利也为EPR论文忧心忡忡。倒不是以为它有摧毁哥本哈根诠释的能量，他以一贯的尖刻口吻说：“假如一个学生在低年级时向我提出这样的反对意见，我会认为他是有头脑的和有希望的。”令他担心的是，由于希特勒残暴政策造成的“科学板块飘移”（详见下篇），美国已经占据了物理学的主导地位，但一夜暴富的美国物理学，理论素养不见得也会一夜暴涨，《纽约时报》只能忽悠“不明真相”的美国民众，爱因斯坦可是有能力忽悠“不明真相”的美国物理学家的呀！如果这个担忧成为现实，以哥本哈根诠释为宪章的量子力学还真有沦陷的危险！
波尔当时正与罗森菲尔德合作进行量子电动力学的研究，当下两人马上放下手头的一切工作，全力以赴撰写反驳文章。经过紧张的日日夜夜，第47期《物理评论》发表波尔的文章，标题与EPR一模一样——《物理实在的量子力学描述能否认为是完备的？》。文章的主要观点是，EPR所主张的“不受干扰”的“物理实在”是根本不存在的，观测必定扰动对象，因此EPR是从一个错误的前提出发得出的错误的结论，由此判定量子力学存在着EPR佯谬是没有道理的。
说明白了吗？不——明——白——！对，我也这样认为。那就让我展开一点，不拘泥于爱因斯坦和波尔的原文，当然也不违背他们的本意和基本精神。
EPR中提出了一个双粒子的位置和动量的思想实验，史称“EPR实验”，这个实验后被美国科学家玻姆进一步简化（图13.4）：一个总自旋为0的粒子衰变为两个粒子A和B并向相反的方向飞离，为遵守角动量守恒，A和B应当永远保持自旋相反的相关关系，A自旋向上，B就必定自旋向下，反之亦然，如此二者角动量之和才会等于0。好，我们就拿这个实验说事。
图13.4 EPR实验
在爱因斯坦看来，物理对象的“实在性”可进一步具体化为“可分离性”，一是对象与观测的可分离性，对象不依赖观测而独立存在；二是物理个体之间的可分离性，实验中的这两个粒子，只要不存在相互作用，它们就是彼此独立的。
好像没什么问题呀？接下来就出问题了。按照哥本哈根诠释的说法，观测前粒子在任何时候状态都是不确定的，我们只知道A和B在任何时刻都有50%的概率自旋向上，有50%的概率自旋向下。好，我们现在对粒子A实施观测，发现它自旋向上，那么，逻辑上粒子B就应该是自旋向下，不管我们观测或不观测。
问题是，现在B怎么知道它该自旋向下呢？自从衰变的那一刻起，它俩在时空上就已经分离，比如现在相距了30万公里。经典概念，它们应该存在着某种相互作用或信息联系，比如，A给B打个手机：我向上了！按相对论，作用力或信息的传递，其速度不能超过光速，这叫“定域性”。所以，B接到手机，至少需要1秒。问题出来了，在B接手机的1秒钟时间内，A早就自旋向上了，B还不知如何是好——能量守恒定律被破坏了！而这条物理定律是不容破坏的，BKS理论的失败已经反证了这一点。
这就是哥本哈根诠释的困境。它不承认观测与对象的可分离性，物理个体的可分离性，也就是否认物理对象的实在性，认为对象的状态是非决定性的，观测会影响这个状态的确定，相关的，在我们这个实验中，观测不仅决定A粒子的状态，还必须要决定B粒子的状态，因此它就不得不在两个粒子间建立起某种联系，乞求某种不需要时间的“幽灵般的超距作用”，从而违反了定域性。这么说吧，一个完备的物理理论，一方面，它要有解释和预测可分离的物理要素的物理量，即满足实在性，同时又不能使用超距作用一类的非法手段，即满足定域性，完备的物理理论就是这么一种满足“定域实在性”的理论。
哈哈！爱因斯坦为物理世界制定了严苛的全国道德模范标准，你得又红又专，又实在性又定域性。量子力学你就相形见惭去吧，你想否定实在性，就做不到定域性，你想遵守定域性，你就得迎回实在性，而这又把自己给颠覆掉了。这叫“EPR悖论”或“EPR佯谬”，目前的量子力学克服不了这个悖论或佯谬，所以必定是一个不完备的物理理论。
波尔说话了：爱老呀，以前我就说过您总是喜欢教导上帝该做什么，现在又代上帝制定道德模范标准了。问题是，您那个不食人间烟火的实在性是不存在的，看您的原话——
当我们不对体系进行任何干扰，却能确定地预言某个物理量的值时，必定存在着一个物理实在的要素对应于这个物理量，即实在性判据。
您观测弯曲光线，观测的扰动您可以忽略不计，可是量子世界不行呐！观测必定给对象造成不可忽略的根本性的影响。所以在量子共和国说话，我们必须要量子语言和经典语言互补，我们用量子语言描述量子规律，用经典语言表达观测现象。问题是，这两种语言不是互逆的，量子语言不提供确定的可观察图像，经典描述也不能倒推出量子始因。这么说吧，用经典语言描述的经典观测结果，已经包括了测量仪器与微观物质的不可分离的耦合，我们不能据此还原出量子实在，因此所谓物理要素与物理量的一一对应关系是不存在的。什么是量子力学的“物理实在”？那就是我们观察到的、至少是原则上我们能观察到的量子现象。观察前，我们只有一个描述量子运动的波函数方程，“不对体系进行任何干扰”，我们就根本没有什么物理实在，而一旦观测到了物理实在，它们就必然包含了观测的扰动。您要我们的道德模范在人间做善事，又不让他们有属人的七情六欲，这能成吗？
用量子力学定义的实在性，就不存在您所说的与定域性的悖谬。在观察之前，根本就没有二个独立的粒子，它们只是一个统一的波函数叠加态。当我们观察到一个自旋向上的A粒子时，我们说波函数坍缩了，同时，就必然会有一个自旋向下的B粒子出现，如此才能符合角动量守恒定律，这是由经典规律严格决定的。因此自旋向上的A粒子和自旋向下的B粒子并不是两个分离的物理事件，而是同一个物理事件，不存在违反相对论的超距作用。而由于“物理实在”是对象和观察不可避免的耦合，又由于不确定性原理，我们不可能严格预测粒子向上或向下，每一次坍缩都是随机的，通过大数观察才会呈现宏观的统计规律。结论，EPR定义的“定域实在”根本不存在，量子力学的解释是完备的。Over。
泡利还是低估了美国科学家的素质，他的担忧并没有变成现实。卡西弟的《海森堡传》有这么段记述：
尽管有泡利的担心，物理学界，特别是美国物理学界，在对哥本哈根的选择上是从来不曾动摇过的。虽然爱因斯坦在美国度过了他的后半生，他的反对意见从来没有说服过很多的美国同道。多数人在1935年已经表示了他们和哥本哈根的结盟。
还是第五届索尔维会议的经典联盟，爱因斯坦在美国放炮，薛定谔就在英国举事（他已与爱因斯坦在同一年前后脚逃离了德国）。这位薛公子真是个性情中人，在给爱因斯坦的信中，我们几乎能看到他手舞足蹈的样子：“我非常高兴，你在《物理评论》上刚刚发表的文章已经明显地抓住了独断的量子力学的小辫子！”给波尔雪上加霜，他在同一年晚些时候也提出了一个“薛定谔的猫”的思想实验（图13.5）——
图13.5 薛定谔猫佯谬
一只猫被关在一个钢制的小室里，小室里有一个放毒的仪器，一个试管中有微量的放射性元素，一小时里只有一个原子衰变或不衰变，其衰变和不衰变的概率各为50%。现在由这个试管来控制放毒仪器，有原子衰变，试管就给出信号让仪器放毒，猫就中毒身亡；原子没有衰变，放毒仪器接不到信号因此不放毒，猫就安然无恙。按量子力学，在没有观察前，原子的波函数是衰变和不衰变的叠加态，就是说既衰变又不衰变，既放毒又不放毒，也即猫既死了又活着，这只猫是活猫和死猫的量子纠缠态。待到观察，波函数坍缩，我们才有了确定的活猫或死猫。问题是，观察前那只又死又活的猫是可以想像的吗？
“薛定谔的猫”没有 “EPR佯谬”深刻严谨，然而形象生动，能勾起人们的兴趣，调动人们的情绪，因此比“EPR佯谬”还更有名气。比如“动物保护者”霍金就说过，一提起“薛定谔的猫”就有找手枪的冲动（杀死虐猫的薛定谔？）。特别在1970年代后流传更广，甚至印到了小学生的T恤上（图13.6）。 1936年3月薛定谔在伦敦偶遇波尔，事后他很得意地写信告诉爱因斯坦：波尔表示“非常震惊”，想不到会有薛定谔这样的“高级叛徒”，竟对量子力学下此狠手。当然这都是玩笑话。
怎样用量子力学理论解释“薛定谔的猫”，大家先试试？我后面再说。
图13.6 上面的英文字是:"薛定谔的猫还活着"。穿上这样的T恤会显得素质很高，呵呵！
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