遠見，還是反動？──愛因斯坦與波耳
- 量子力學是20世紀最成功的理論之一，可是愛因斯坦卻不喜歡這個理論。他是跟不上時代了呢？還是慧眼獨具？
作者╱高湧泉
愛因斯坦的物理直覺在20世紀無人能出其右。他在新舊物理交替之際，常能發人所未見，眼力既遠又準。尤其是對於基本原理的闡發，往往可以超越傳 統思維，同輩的物理高手只能甘拜下風。可是這樣一位向來在引發革命的天才，竟然一輩子不肯接受量子力學這門也是革命性的學問，難道是他敏銳的判斷力生鏽 了？或者他的確瞧出了量子力學的破綻？
量子力學是非常奇特的科學：一方面它的定律可以讓理論學家精準地算出實驗的種種結果（這點愛因斯坦也承 認）；另一方面，這些定律所呈現出的微觀世界卻又非常不可思議，難免引人半信半疑，而這正是愛因斯坦不喜歡的部份。一般科學家通常會以實用的觀點看待量子力學，他們即使「不懂量子力學」，也可以成為相當稱職的量子技師，所以不會在意比較微妙的意義問題。但是愛因斯坦念茲在茲的正是本質性的東西，所以他當然 要對量子力學的意義追究到底。
愛因斯坦曾經對朋友說，他思索量子問題的時間百倍於思索廣義相對論的時間。他在量子力學出現之後，提出了一 個又一個的「想像實驗」，希望能藉以暴露量子力學的內在矛盾。對於愛因斯坦尖銳的挑戰，量子力學陣營出面迎戰的人是波耳（Niels Bohr）。論戰開始時，二人都已是獲得諾貝爾獎的大人物，也是相互景仰的好友。波耳自1927年起，至1955年愛因斯坦過世止，從未間斷地想要說服愛 因斯坦接受量子力學「真理」。反過來，愛因斯坦也一直想讓波耳承認量子力學並不完備。在這場歷史性的爭論中，兩人都沒能折服對方，不過多數（尤其是新一代的）物理學家是傾向波耳的。
波耳是丹麥人，比愛因斯坦小六歲。他在1913年提出了第一個可以成功解釋氫原子光譜的半古典氫原子模型，從此成 為原子物理的掌門人。對於發現量子力學的年輕一代如海森堡、狄拉克等人而言，波耳是他們的精神導師。海森堡在《物理與哲學》一書中回憶，他與波耳在 1926~27年間於哥本哈根面對如何詮釋量子力學的問題，經常討論了好幾小時，直到深夜，最後幾乎絕望了。討論結束後，我獨自到隔壁的公園走一走，不停地問自己：自然可能像原子實驗中所看到的那麼荒謬嗎？
波耳和海森堡絞盡腦汁的心得，一般稱為「哥本哈根詮釋」；對於多數物理學家來說，它至今依然是量子力學的正統詮釋。大致上講，哥本哈根詮釋的意思如下：
1.任何物理實驗的結果必定是以古典物理的語言（物理量）來描述的，譬如一個粒子的位置、動量和角動量等。
2.在古典物理中，我們可以精準地預測與測量出這些物理量。但是在微觀的量子世界中，物理量會受到「不確定原理」的限制，測量的結果依狀況可能有無可避 免的誤差。對於特定物理量而言，我們只能用量子力學法則，去計算在實驗中測量到其各種值的機率。以一個電子的位置為例，假設我們知道電子最初的位置，我們 就可以用薛丁格方程式，算出之後任何時刻在某個空間位置找到電子的機率函數。
3.但是這個機率函數並不代表電子真實的運動情形。譬如說，我們以光去照射氫原子，看到其中電子的位置是x1，過了一段時間之後，我們又用光去尋找電子的位置，發現它這次出現在x2位置；量子力學可以告訴我們的是在x2處找到電子的機率有多大，可是我們卻不能由此推論出「電子在兩次觀測之間，一定是在某個地方，所以它必然循著某一條未知的軌跡從x1跑到x2」。這樣的推論假設了電子只會表現出「粒子」的性質（所以才有「軌跡」可言），但是這卻會導致和實驗不相容的結果。
4.「波動」與「粒子」這兩個性質在古典物理中是相互矛盾的，只能有一個成立，粒子不會有波動性，而波也不會有粒子性。但是在量子物理中，電子卻可以依 據實驗的型態而展現出波動性或粒子性。譬如說，如果我們一直將光照射在電子上面，我們就會看到電子的運動的確是有軌跡可言。這時電子展現了粒子性，但是這 樣的電子就無法表現出波動性。只有當我們不用光去觀察電子時，它才會呈現波動性。量子力學把波動性與粒子性看成是「互補」的性質。
愛因斯 坦不喜歡哥本哈根詮釋，因為這種詮釋意味著微觀物體的性質會受到「觀測」這個步驟的影響，所以沒有「客觀」的本性。他相信觀測者（儀器）不應該出現在對於自然世界最深刻的描述中，也就是說他相信最底層的自然有所謂的「客觀實在性」。愛因斯坦曾經問朋友：「是不是只有當你在看月亮的時候，它才會在那兒嗎？」 言下之意是他無法接受電子在兩次測量之間沒有所謂「真實的物理狀態」可言的說法。愛因斯坦認為量子力學只能提供一群微觀系統的統計性描述，而無法描述單一的物理系統（例如單一個原子）；既然物理理論的目標在於完整地描述一切自然系統，量子力學就不會是完備的最終理論。他有句名言清楚地表達了這個信念：「上帝不玩骰子。」他不反對量子力學在邏輯上可以自圓其說，但是他堅信存在著一個比量子力學更完備的理論，可以講清楚介於兩次測量之間的電子究竟是什麼玩意 兒。這種能夠穿透機率迷霧而滿足客觀實在性要求的理論，一般稱為「隱變數理論」。
但是隱變數理論究竟可不可能呢？或者它只是愛因斯坦個人的反動幻想而已？貝爾（John Bell）是少數對於這個問題下過功夫的人之一，他在1966年提出了著名的貝爾不等式，證明了某一類型的隱變數理論是不可能的。貝爾是同情愛因斯坦的，但是後來還是得承認：
歷史站在正統詮釋這一邊。愛因斯坦是個理智的人，其他人只是把頭埋在沙裡。我覺得愛因斯坦在這件事上所表現的智力超過波耳太多了。所以，對我而言，愛因斯坦的點子行不通是很可惜的事。合理的事就是行不通！
儘管波耳一直在得分，還是沒有人敢肯定地講愛因斯坦絕對沒有翻身的機會。
儘管愛因斯坦本人對量子理論做出了巨大貢獻，但是他認為量子理論是不完善的。愛因斯坦不喜歡量子理論中違背直覺的內容──例如量子的不確定性，他說：「上帝不擲骰子。」愛因斯坦認為事物的背後隱藏著更為深刻的本質，而量子理論是無法揭示的。波耳則不同意愛因斯坦的觀點，「上帝不僅是在擲骰子，而且會把骰子拋到我們看不到的地方。」波耳說。從80年代開始，大多數物理學家都認為波耳是正確的。
據《自然》雜誌最近報導，現在卡爾。赫斯和沃爾特。菲力浦提供了有力的證據證明愛因斯坦的懷疑是正確的──在量子理論背後的確有另一套規律在起作用。
在1935年，愛因斯坦與另外兩個物理學家一起做了一個「思想實驗(愛因斯坦-波多斯基-羅森悖論-EPR paradox)」，通過這次試驗他們發現，根據量子理論可以推導出一種奇怪的長距離作用──對於一個粒子的測量會影響到另外一個粒子，不論它們的距離有多遠。由於這一奇怪的現象，愛因斯坦認為有更為基本的理論隱藏於量子力學背後。他提出了「隱藏變量(一般稱為「隱變數理論」)」── 那些可以改變量子的不確定性的量，但是這些量是不能被直接測量的。
科學家現在發現，如果「隱藏變量」有隨時間變化的性質而且相互關聯，愛因斯坦的懷疑就是正確的。例如，倫敦的鍾表和紐約的鍾表會同時旋轉，但並不相互影響。但是它們所顯示的時間確實是相互關聯的。
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