引言 思维的碰撞
保罗·埃伦费斯特很难受，他刚刚做了一个艰难的决定。很快，他就要参加一个为期一周的会议。会上，许多推动量子革命的物理学家将一起讨论他们创造的这个理论究竟有何意义。到那个时候，埃伦费斯特将不得不告诉他的老朋友阿尔伯特·爱因斯坦，他选择站在尼尔斯·玻尔这边。埃伦费斯特这位在荷兰莱顿大学理论物理学系任教的34岁奥地利教授，相信原子世界就像玻尔认为的那样奇异且缥缈。1
他俩围坐在会议桌旁时，埃伦费斯特潦草地给爱因斯坦写了一张便条：“别笑！地狱里有一个专门为量子理论教授准备的项目，他们会被迫每天听10个小时的经典物理学讲座。”2“我只是笑他们的天真，”爱因斯坦回道，3“谁知道几年后谁能笑到最后呢？”对爱因斯坦来说，这可不是什么开玩笑的事，而是关系到现实本质和物理学灵魂的头等大事。
1927年10月24—29日，主题是“电子和光子”的第五次索尔维会议在布鲁塞尔召开。与会者拍摄了一张著名合影，这张照片浓缩了物理学史上最富戏剧性阶段的故事。受邀参加这次大会的29名科学家中最终有17人获得了诺贝尔奖，这次大会也是有史以来思想碰撞最为激烈的会议之一。417世纪，伽利略和牛顿开创了一个无与伦比的科学创新时代，也就是物理学黄金时代，而第五次索尔维会议则标志着这个时代的终结。
照片中，保罗·埃伦费斯特站在最后一排左起第三位，身体微微前倾。照片前排端坐着9位科学家，其中有一位是女性。这9位科学家中有6位获得过诺贝尔物理学奖或化学奖。这位女性两个奖项都获得过：1903年获得物理学奖，1911年获得化学奖。她的名字是玛丽·居里。在象征荣耀的前排正中位置坐着另一位诺贝尔奖得主，也是牛顿时代之后最负盛名的科学家：阿尔伯特·爱因斯坦。照片中的他右手紧紧扶着椅子，直视前方，似乎不太自在。让他不自在的是他的翼领和领带，还是这一周中听到的种种话语？照片第二排最右侧则是尼尔斯·玻尔，他看上去一脸轻松，甚至带着些许古怪的微笑。对他来说，这次大会颇为成功。不过，等到大会结束，玻尔就只能带着失望回到丹麦了——他没能说服爱因斯坦接受阐述量子力学描绘现实本质的“哥本哈根诠释”。
索尔维会议上，爱因斯坦不屈不挠，一整周都在努力证明量子力学并不完备，以及玻尔的哥本哈根诠释存在缺陷。许多年后，爱因斯坦说：“这个理论让我觉得有点儿像是一个极度聪慧的偏执狂妄想出来的系统，他把许多不相关的思想元素都糅合到了一起。”5
坐在玛丽·居里右手边的是马克斯·普朗克，正是这个一手拿着帽子、一手捏着雪茄的男人发现了量子。1900年，他不得不接受了这样一个事实：物质释放或吸收的光能，以及其他任何形式的电磁辐射都以小份为基本单位，把不同数量的基本单位捆绑在一起，就形成了各种大小的能量。“量子”（quantum，复数形式为quanta）就是普朗克给这些基本能量单位起的名字。在此之前，人们一直认为能量的释放和吸收都是连续的，就像从水龙头里流出的水。能量的量子概念则完全与我们习以为常的这类观念背道而驰。在牛顿物理学主宰的宏观日常世界中，水龙头里的水可以一滴一滴地流出，但能量并不像各种大小的水滴那样一份一份地交换。然而，原子和亚原子层面上的现实是量子概念大展拳脚的领域。
随着时间推移，我们发现原子内电子的能量就是“量子化”的：它拥有的能量只能是某些特定值，其他值则不行。其他物理性质也同样如此，因为我们发现微观领域就是“块状”的、离散的，而非人类所生活着的宏观世界的微缩版。在我们日常生活中，物理性质会平滑而连续地变化，从状态A到状态C意味着必然经过状态B。然而，量子力学告诉我们，原子中的电子可以上一秒在这个位置，接着只要吸收或释放一个量子的能量就像变魔术一样突然出现在另一个位置，中间不需要经过其他任何位置。这种现象超越了经典非量子物理学的范畴，就像是原本在伦敦的某件东西神秘消失了，然后突然出现在了巴黎、纽约或者莫斯科，实在是非常奇怪。
量子物理学的早期发展大多基于一些零散的事实以及专门为解释这些事实而提出的假设实现，这使得整个理论缺乏坚实基础和逻辑架构，到了20世纪20年代初，这一点已经非常明显。一个大胆的新理论在这种充满困惑和危机的状态下应运而生，那就是我们今天熟知的量子力学。如今，有些学校仍旧在教授这样的原子模型：电子围绕着原子核运动，整个原子就像一个微型太阳系。然而，在量子力学诞生后，物理学界早已摒弃这个“行星模型”，取而代之的观点是：原子结构完全无法具象化。接着1927年，沃纳·海森堡做出了一项极其不符合常识的发现。这项发现奇怪到连海森堡这位年少成名的德国量子力学大师一开始也难以掌握其精髓。它就是不确定性原理：如果我们掌握了某个粒子的确切速度，就无法掌握它的确切位置；反之亦然。
没人知道该怎么解释量子力学方程，也没人知道这个理论是怎么在量子层面上介绍现实本质的。自柏拉图和亚里士多德时代以来，有关因果关系的问题和月亮在无人看它时究竟是否存在这样的问题，就一直是哲学家的保留节目，但量子力学问世之后，20世纪的伟大物理学家们也加入了对这些问题的讨论。
等到第五次索尔维会议召开的时候，量子物理学的所有基本构件都已经就位，这次大会也开启了量子故事的新篇章。爱因斯坦和玻尔的思想火花在这次大会上深度碰撞，由此引出的各种问题直到今天仍令无数杰出物理学家和哲学家痴迷：现实的本质是什么？在我们眼中，什么样的现实描述方法才算是有意义？“再也没有比这更深刻且意义深远的学术辩论了，”科学家、小说家C.P.斯诺说，“只可惜，这场辩论因为学术气息实在太浓，无法成为普通大众的共同话题。”6
这场辩论的两位主角中，爱因斯坦是20世纪偶像级人物。他曾受邀在伦敦帕拉丁剧场上演个人秀，连演三周。妇女们一见到他，就兴奋得几乎要晕厥。在日内瓦，姑娘们一看到爱因斯坦就会把他围得水泄不通。放在今天，这种追捧是只有流行歌手和电影明星才有的待遇。第一次世界大战结束后，也就是1919年，爱因斯坦通过广义相对论预言的光线弯折现象得到了证实，他也因此成了第一个诞生于科学界的超级巨星。这股追捧热潮到了1931年1月爱因斯坦在美国做巡回演讲时几乎也没有消退，他当时还出席了查理·卓别林的电影《城市之光》在洛杉矶的首映式。观众看到卓别林和爱因斯坦时都热烈地欢呼起来。“他们为我欢呼，是因为他们都理解我的作品，”卓别林对爱因斯坦说，“而为你欢呼，则是因为他们都不理解你的理论。”7
在爱因斯坦这个名字成为科学天才的代名词时，索尔维会议大辩论的另一位主角尼尔斯·玻尔的知名度则要逊色一些，无论当时还是现在都是如此。不过，在玻尔的同辈人看来，他是一个实打实的科学巨人。1923年，在量子力学的发展过程中发挥了关键作用的马克斯·玻恩写道，玻尔“对我们这个时代的理论和实验研究产生的影响超过了其他任何一位物理学家”。840年后的1963年，沃纳·海森堡也认为：“玻尔对20世纪的物理学以及物理学家产生的影响无人可以企及，即便是爱因斯坦也比不上他。”9
1920年，爱因斯坦和玻尔在柏林第一次见面，他俩都发现自己遇到了智力上的竞争对手，能够不带怨恨和敌意地互相推动并刺激对方提炼、打磨对量子的思考。正是通过他俩以及参与1927年索尔维会议的部分科学家，我们才得以窥见量子物理学的早年岁月。“那是一个英雄的时代，”20世纪20年代还是学生的美国物理学家罗伯特·奥本海默后来回忆说，10“那个时期的标志是实验室里的耐心工作，是关键实验和大胆行动，是许许多多错误的出发点和许许多多站不住脚的猜想。那个时代属于热诚的通信和行色匆匆的会议，属于辩论，属于批评，属于睿智的即兴数学创作。对那些参与其中的人而言，那是一个创造的时代。”不过，在奥本海默这位原子弹之父看来：“那个时代的新洞见，带来的除了欣喜，还有恐惧。”
没有量子，我们生活的这个世界会大为不同。不过，在20世纪的大部分时间里，物理学家都认为，量子力学只承认他们在实验中得到的结果，否认实验之外现实的存在。正是这种情况导致诺贝尔物理学奖得主、美国物理学家默里·盖尔曼把量子力学描述为“令人困惑的神秘学科，我们其实都不理解它，但又知道如何使用它”。11况且，我们也确实使用了这门学科。量子力学推动了现代世界的发展，塑造了现代世界的现状。它让一切成为可能。从计算机到洗衣机，从移动电话到核武器，没有量子力学，这一切都将不复存在。
量子的故事开始于19世纪末。当时，虽然人们刚刚发现了电子、X射线、放射现象，有关原子是否存在的争论仍在继续，但许多物理学家自信满满地认为，所有重大问题都已经解决了。“更为重要的基础定律和物理科学事实全都已经浮出水面。现在，这些定律和事实已经无比坚实，被新发现替代的概率已经微乎其微。”1899年，美国物理学家阿尔伯特·迈克耳孙如是说。他认为：“未来的发现一定是在小数点后6位了。”12当时有很多人秉持着与迈克耳孙相同的观点，认为未来的物理学只是小数点之后的事，而那些尚未解决的问题也算不上什么挑战，早晚会被久经考验的物理学理论和原理解决。
早在1871年，19世纪最伟大的理论物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦就已经对这种自鸣得意的心态发出了警告：“现代实验的特征——实验主要由测量构成——确实非常突出，取得了丰硕成果，我们也因此产生了这样的想法：所有重要物理学常数都会在未来几年内得到精确预估值，留给未来学者的工作只是把测量精度不断往小数点后面推进。”13麦克斯韦指出，“细致测量的真正劳动成果”并非不断提高的精度，而是“新研究领域的发现”以及“新科学思想的提出”。14量子的发现正是这样一种“细致测量的劳动成果”。