吴鑫岩
在10月4日瑞典皇家科学院宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予三位物理学家：法国的阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国的约翰·克劳泽（John F. Clauser） 和奥地利的安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们通过量子纠缠实验来证明违反贝尔不等式和开创性的量子信息科学所作出的贡献。多年以来，获得诺贝尔物理学奖的研究工作尽管相当重要，但是并没有划时代的意义，今年的获奖项目则是一个难得的例外。
量子理论的开山鼻祖是德国的普朗克，他在1900年为了解释黑体辐射问题而首先提出了能量量子化的概念。在1905年爱因斯坦把这个概念用于解释光电效应，这篇论文使他在16年后获得了诺贝尔奖。然而，普朗克对此却不以为然，认为爱因斯坦走得太远了。其实，这反映出了当时很多物理学家的观点，所以爱因斯坦的这篇论文在当时还是很具革命性的。可以借助“气压”的概念来理解爱因斯坦的这篇论文；现在到了深秋而气温在逐渐降低，大家都要给汽车的轮胎打气了。这里有一个问题：到底什么是气压？从宏观上来看，气压就是压力除以面积，力学里都是这么讲的。然而，如果从微观的角度来看，气压是由大量的空气分子高速撞击容器壁而形成的。大家在高中物理中都学过气体定律：在容积不变的情况下，理想气体的压强与绝对温度呈正比。这背后的原因就是气体分子运动的动能与温度呈正比，在室温下空气分子的平均速度接近两马赫。爱因斯坦对光电效应的解释就与此类似，他放弃了经典电磁波理论而进入了量子光学的领域，因此而获得诺贝尔奖也是实至名归。当然，这个突破与相对论相比那还是小巫见大巫，如果给爱因斯坦颁发三次诺贝尔奖大家也会心悦诚服。
生活在二十世纪初的物理学家真是幸运，新的发现和新的理论层出不穷。与此同时，人们也感到十分困惑，在经典物理与量子物理之间无所适从，有人甚至因抑郁而自杀了。在一战结束以后，法国的贵族德布罗意从战场回到了大学来攻读博士学位。此人游手好闲成性，做不出什么实实在在的科研工作，但是他的脑洞却很大。在1924年提交的博士论文中，他提出了“波粒二象性”，也就是打破了粒子与波之间的界限。他的导师觉得自己没有能力对此做出判断，就把论文寄给了爱因斯坦，结果大受赞赏。有了爱因斯坦的背书，德布罗意如愿以偿地拿到了博士学位。三年以后他的观点在电子干涉的实验中获得了验证，结果德布罗意在1929年获得了诺贝尔奖。
德布罗意提出的“波粒二象性”触发了奥地利的物理学家薛定谔，经过一番研究他在1926年提出了著名的“薛定谔方程”，七年以后就获得了诺贝尔奖。其实，在1925年海森堡和波恩就提出了量子力学的矩阵方程，但是薛定谔的理论更加直观而逐渐成为了主流。波恩随后对薛定谔方程中的波函数做出了解释，他认为其模的平方对应于粒子存在的几率，这些贡献使他在1954年获得了诺贝尔奖。人们利用薛定谔方程来推导氢原子的光谱，结果与实验符合的很好。当然，这个方程中没有包括自旋而属于非相对论范畴，因此而不能解释光谱的精细结构。
在1927年波尔和海森堡合作而逐渐形成了哥本哈根学派，他们认为波函数具有其存在的真实性。然而，爱因斯坦却对此持不同观点，他认为波函数仅仅具有统计意义。换言之，波函数仅仅是一种数学工具，因此不具备存在的真实意义。在1935年爱因斯坦与两位合作者提出了EPR佯谬，他们设计了一个理想实验：假如两个粒子处于纠缠态，然后让它们分开很远的距离；按照哥本哈根学派的观点，改变其中之一的量子态就会同时改变另一个粒子的量子态，这明显违背狭义相对论。薛定谔支持爱因斯坦的理解，因此而提出了另一个理想实验，也就是著名的“薛定谔的猫”。
如果探究一下爱因斯坦对波函数理解的根源，那就可以追溯到他在1905年发表的另一篇论文：对布朗运动做出了解释。因此，在半导体物理中也有一个爱因斯坦方程，它把扩散系数与迁移率联系起来。让我们回到二十世纪初，当时人们观察到一个很奇怪的现象：当把一些花粉颗粒放在水面上时，它们的运动具有很高的随机性。爱因斯坦认识到，这些花粉就像波涛汹涌的大海中的小舢板一样，其看似随机的运动反映出了水分子的热运动。因此，爱因斯坦认为在描述电子概率的波函数背后也存在着没有被发现的真实客观存在。后来波姆把爱因斯坦的观点发展成了“隐变量”理论，结果形成了与哥本哈根学派对垒的阵营。在当时，人们还没有实验手段对这两派的观点进行验证，所以对波函数的认识就变成了一个哲学问题。
一晃三十年过去了，爱因斯坦和波尔都已经去世了；爱尔兰的物理学家贝尔对这场争论产生了兴趣，他在在1964年提出了“贝尔不等式”，从而展现了用实验手段来验证对波函数解释的途径。贝尔打心眼里支持爱因斯坦的观点，因此希望借此而否定哥本哈根学派。有三位实验物理学家在此领域做出了突出贡献，因此而获得了今年的诺贝尔奖。在此三人中，最早取得成果的是John Clauser，他在1969年从哥伦比亚大学获得博士学位以后就到UC-Berkeley去工作。当时他申请不到科研基金，就搜刮了一些旧设备并且加工出一些新的零部件，东拼西凑地整合出一套实验装置，在1972年发表了第一篇验证贝尔不等式的论文。他本人其实是属于“隐变量”阵营的，但是实验结果却支持哥本哈根学派的解释。然而，由于他的实验条件相当简陋，很多人认为其实验结果不可靠。Alain Aspect在1971年获得博士学位，此后他利用激光的偏振来做实验，结果同样支持哥本哈根学派的解释。他的研究工作比John Clauser精密很多，结果让绝大多数物理学家感到信服。Anton Zeilinger与Alain Aspect同年获得博士学位，他在研究中使用了粒子之间的纠缠来做实验。因此，他可以把爱因斯坦等人提出的理想实验付诸实践，结果同样让老人家的在天之灵感到失望。
尽管哥本哈根学派的解释获得了实验的支持和验证，但是，人们还是无法在现有的时空框架下来加以理解。因此，有人提出了多维时空的设想，从而“远近”以及“历史与未来”这些观念都要重新定位。这不禁让人联想起历史上的很多“预言”，其中最突出的就是《推背图》，其预言到目前为止基本上都应验了。此外，也会让人联想起电影《黑暗帝国》（Matrix）和柏拉图的“洞穴寓言”，也许我们所深信不疑的所谓现实世界只不过是一个虚幻的投影。最后，大家可以欣赏一下白居易的一首诗：
须知诸相皆非相，若住无余却有余。
言下忘言一时了，梦中说梦两重虚。
空花岂得兼求果，阳焰如何更觅鱼。
摄动是禅禅是动，不禅不动即如如。
（2022年10月9日）