“上帝掷骰子吗？”

这个问题直击整个量子力学理论框架的核心。

时至今日，即使一个对“量子力学”这一概念很陌生的年轻人，都或多或少对这句话、甚至对上世纪那场旷日持久的世纪论战有所了解。在当时，那场论战就是整个物理学界最大的谈资。论战双方的领袖——爱因斯坦和玻尔——就是当时当仁不让的学术“流量明星”。

想要深入理解这个问题的含义，我们需要先简略回顾一下量子力学早期的发展历史。1900年，为了解决黑体辐射疑难，德国物理学家普朗克提出了“能量子”模型。该模型通过把能量离散化，从理论上成功拟合出实验黑体辐射曲线。彼时，爱因斯坦21岁，刚从大学毕业；玻尔才刚15岁，可能还在中学学习。27年后，在索尔维会议上，两人成为物理经典派和量子派的领袖人物，带领众多才华横溢的物理学家，开展最高规格的学术版“华山论剑”。

1927年的首届索尔维会议（此次会议主题是新兴的量子力学。29名与会者中有17人获得了诺贝尔奖。值得一提的是，直到今天索尔维会议还一直在举办）

1905年，爱因斯坦提出了“光量子”假说，通过把“本应该是一种电磁波”的光想象成一个个小的光微粒，成功解释了光电效应。紧随其后，玻尔在1913年提出了量子化的原子结构，成功解释了氢原子的能级结构和光谱，获得了当年的诺贝尔奖。带着荣誉和奖金，丹麦人玻尔回到哥本哈根建立了研究所，培养了一批年轻人一同研究量子力学。很快，他的身边很快就聚集了一批特立独行、不惧权贵的年轻学者，诸如玻恩、海森堡、泡利等等，并共同创立了“哥本哈根学派”。思想的碰撞擦出激烈的火花，自由的学术氛围是人类进步的核心要素。

玻尔、海森堡和泡利，哥本哈根学派的三位代表学者

哥本哈根学派在创立之初就开始从哲学层面上思考量子问题。光和电子时而像波、时而像粒子的“波粒二象性”到底意味着什么？其本源是什么？为什么我们每次只能看到它是波或者粒子的“一面”？最终，借助号称“拉斯维加斯之光、大富翁之魂”——骰子的力量，量子力学的“哥本哈根诠释”浮出水面：世间万物其实是一个个的骰子组成的！

骰子，代表一种不确定性。我们每次掷骰子，得到的结果都是随机的，这难道不应该和最讲究精密与确定性的物理学格格不入吗？哥本哈根学派的说法是什么意思呢？

我们来看一个例子。电影《变形金刚》中的“大黄蜂”拥有机器人和小黄车两种形态。每次女主角不去看它（物理学上，我们喜欢把“看”叫做“测量”）的时候，它可能处于两种形态中的一种。但女主角一旦回头“测量”了，就确定了大黄蜂此时到底是机器人还是小黄车。而有时，距离上次“测量”，刚过去几秒钟，再回头的时候就会发现大黄蜂又变换了形态。哥本哈根学派对量子力学的“骰子假说”，学名叫“概率诠释”，就是类似的思想。

给大家表演一个三秒“变身”

哥本哈根学派的核心观点除了上面的“概率诠释”，还有“测量塌缩”。一个量子尺度的物体，它当前的状态其实是几种可能状态的“概率叠加”；在未被测量之前，我们完全无法预测物体真正的状态，这是一种真真正正的随机性；一旦启动了测量，物体就会“塌缩”成一种可能状态，仿佛它一直就是那种状态一样。如果你想得到其他的可能状态，你需要复制粘贴一大堆相同的物体，并对每一个分别测量，并通过统计得出这几种可能状态的概率。

虽然“概率诠释”类似于“骰子实验”，但量子力学更纯粹。骰子的随机性其实是伪随机，“出千高手”完全可以掌控掷骰子的结果。量子力学则不同，这种随机性是真随机，没有“老千”可以控制。

“赌神”面前，还想“出千”？

从日常的生活中，我们可以随手写出好多现实中“概率诠释”违背常识的例子。比如说，太阳到底在不在天上呢？在回头“测量”之前，你也许已经猜到了答案，一回头“测量”，就可以看到太阳安静地挂在天空中。太阳消失虽然是一种可能状态，但它发生的概率极其小，我们一生应该都无缘碰见。这种前提下，太阳在不在天上和我们“测量”的时机似乎没有什么关系。但哥本哈根学派认为，回到微观的量子世界，情况就完全不同了。再荒谬至极的事实，都可能在量子世界中出现。

爱因斯坦、薛定谔、德布罗意等组成的小团体对哥本哈根学派的“概率诠释”非常不满，他们认为这已经触及到了人类最基本的哲学思想之一——实在论。“难道一个物体在不在那里，或者是不是某种状态不应该是一开始就决定好，或者说完全‘实在’的吗？它怎么可能会是由观测者所决定的？即使放在云雾缭绕的量子世界，这种说法也是荒谬得无以复加！”于是，科学史上那段著名的论战拉开了序幕，以爱因斯坦为首的经典派对哥本哈根学派发起了猛烈的攻击，这其中的每次针锋相对都闪耀着智慧甚至是艺术的花火。比如下面这段二人的“喊话”：

爱因斯坦：玻尔，上帝不掷骰子！

玻尔：老爱，请不要告诉上帝应该怎么做！

玻尔（左）与爱因斯坦（右）。两人是学术上的对手，生活中的挚友。套用一句时尚的话，这是一对学术好“CP”

与爱因斯坦同一阵线的薛定谔，更是为了反驳“概率诠释”学说而举了一个他本人认为“荒诞至极”的例子：把一只猫和一套通过放射性元素驱动的毒药释放系统一起放在盒子里，而在打开盒子观察前，猫同时处于“活着”和“被毒死了”双重状态的叠加态中。这便是鼎鼎大名的“薛定谔的猫”。不过薛定谔肯定没有想到，自己提出的这个用来反驳哥本哈根学说荒谬、与现实格格不入的实验，发展到今天，会被不少人误认为是“概率诠释”的一个经典论点。

“薛定谔的猫”思想实验图解

距离那场世纪论战已经过去了许多年，即使在今天，物理学界中最受普遍认可的哥本哈根学派“概率诠释”学说也依然面对许多争议。在浩瀚的量子物理学之谜面前，人类依旧是举着微光的探索者，期待着下一个惊动学界的发现能够揭开真理的神秘面纱。

作者简介：

鲁大为，南方科技大学量子与科学研究院/物理系副教授。研究领域：基于自旋磁共振体系的量子信息处理和相干控制；高量子比特系统的发展、表征和操控；量子模拟、量子纠缠和量子态重构。学习经历：2007年9月—2012年7月，中国 科学技术大学微尺度国家实验室，量子信息物理学，博士；2003年9月—2007年7月，中国科学技术大学少年班学院，光信息科学与技术，学士；工作经历：2019年5月–至今，南方科技大学物理系，副教授；2017年7月–2019年5月，南方科技大学物理系，助理教授；2012年9月—2017年8月， 加拿大滑铁卢大学量子计算研究所，博士后研究员。

编辑：刘馨

主图：丘妍

插画：学生新闻社 杨菲纯

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