爱因斯坦对量子力学的真实看法

阿尔伯特·爱因斯坦的名言中，被引用最广泛的莫过于他那句“上帝不会掷骰子”。人们自然而然地将他的这句俏皮话视为他教条式地反对量子力学的证据，量子力学认为随机性是物理世界固有的特征。当一个放射性原子核衰变时，它是自发地衰变的；没有任何规则会告诉你何时或为何衰变。当一个光粒子撞击半镀银镜时，它要么被反射，要么穿透过去；结果在发生的那一刻之前都是不确定的。你不需要去实验室就能看到这些过程：许多网站都展示了盖革计数器或量子光学产生的随机数字流。这些数字即使在原则上也是不可预测的，因此非常适合密码学、统计学和在线扑克。

因此，标准的说法是，爱因斯坦拒绝接受有些事情是不确定的——它们就那样发生了，而且任何人也无能为力去弄清楚原因。在他的同辈中，几乎只有他一个人坚持经典物理学的机械宇宙观，认为宇宙像时钟一样机械地运转，每一刻都决定着下一刻。掷骰子这句话成了他一生的另一面的象征：一个革命者变成反动派的悲剧，他用相对论颠覆了物理学，但在量子理论上，正如尼尔斯·玻尔所说，却“神游天外”了。

然而，多年来，许多历史学家、哲学家和物理学家都对这种说法提出了挑战。他们深入研究了爱因斯坦的真实言论，发现他对不确定性的思考远比通常描述的更为激进和细致。“把故事弄清楚变成了一种使命，”圣母大学的历史学家唐·A·霍华德说。“当你深入档案馆，看到与普遍叙事的差距时，你会感到惊讶。”正如他和其他人所表明的那样，爱因斯坦接受量子力学是不确定的——他很可能也应该接受，因为他正是发现其不确定性的人。他不能接受的是，这种不确定性是自然的根本。它给出的所有迹象都表明，它源于理论未能捕捉到的更深层次的现实。他的批评并非神秘主义，而是集中在至今仍未解决的具体科学问题上。

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宇宙是时钟还是掷骰子赌桌的问题，触及了我们对物理学的假设的核心：寻找自然界奇妙多样性背后的简单规则。如果有些事情的发生没有理由，它们就标志着理性探究的极限。“根本的不确定性将意味着科学的终结，”麻省理工学院的宇宙学家安德鲁·S·弗里德曼担心地说道。然而，纵观历史，哲学家们一直认为不确定性是人类自由意志的先决条件。要么我们都是时钟装置中的齿轮，以至于我们所做的一切都是注定的，要么我们是自己命运的主宰，在这种情况下，宇宙一定不是决定论的。这种二分法对社会如何追究人们对其行为的责任产生了非常实际的影响。关于自由意志的假设渗透到我们的法律体系中；要承担罪责，犯罪者必须有意图地行动。法庭不断纠结于人们是否因精神错乱、青少年冲动或不利的社会背景而无罪。

然而，每当人们谈论二分法时，他们通常旨在揭示它是错误的。事实上，许多哲学家认为，说宇宙是决定论的还是不确定论的是没有意义的。它可以是任何一种，这取决于你的研究对象有多大或多复杂：粒子、原子、分子、细胞、生物体、头脑、社群。“决定论和不确定论之间的区别是特定于层级的，”伦敦政治经济学院的哲学家克里斯蒂安·利斯特说。“如果你在一个特定的层级上有决定论，它完全可以与更高层级和更低层级的不确定论相容。”我们大脑中的原子可以以完全决定论的方式运作，同时仍然给予我们行动自由，因为原子和能动性在不同的层级上运作。同样，爱因斯坦寻求的是决定论的亚量子层级，而没有否认量子层级是概率性的。

爱因斯坦反对什么

爱因斯坦是如何被贴上反量子标签的，几乎和量子力学本身一样神秘。量子的概念——能量的离散单位——是他在 1905 年的独创，在十五年的时间里，他几乎是孤身一人捍卫它。爱因斯坦提出了物理学家现在认为的量子物理学的最基本特征的大部分内容，例如光具有粒子和波的双重特性，并且正是他对波动物理学的思考促使埃尔温·薛定谔在 20 世纪 20 年代发展出了应用最广泛的量子理论形式。爱因斯坦也并不反对随机性。1916 年，他表明，当原子发射光子时，发射的时间和方向是随机的。“这与大众对爱因斯坦作为概率论的反对者的印象背道而驰，”赫尔辛基大学的哲学家扬·冯·普拉托说。

但是，爱因斯坦和他的同代人面临着一个严重的问题。量子现象是随机的，但量子理论不是。薛定谔方程是 100% 决定论的。它使用所谓的波函数来描述粒子或粒子系统，波函数表达了粒子的波动性，并解释了粒子集合可以形成的波动模式。该方程完全确定地预测了波函数在每一时刻会发生什么。在许多方面，该方程比牛顿运动定律更具决定论性：它不会导致奇点（数量变得无限大，因此无法描述）或混沌（运动变得不可预测）等混乱。

棘手的部分是薛定谔方程的决定论是波函数的决定论，而波函数不像粒子的位置和速度那样可以直接观察到。相反，波函数指定了可以观察到的量以及每种可能结果的可能性。该理论没有明确说明波函数到底是什么，以及是否应该将其字面理解为真实存在于世界上的波。因此，它也没有明确说明观察到的随机性是自然固有的还是仅仅是一种表象。“人们说量子力学是不确定的，但这太快了，”瑞士日内瓦大学的哲学家克里斯蒂安·伍特里希说。

维尔纳·海森堡，另一位早期的量子理论先驱，将波函数设想为潜在存在的迷雾。如果它未能明确指出粒子的位置，那是因为粒子实际上并没有位于任何地方。只有当你观察粒子时，它才会在某个地方显现出来。波函数可能分布在巨大的空间区域，但在进行观察的瞬间，它会突然坍缩成单个位置的狭窄尖峰，粒子会在那里突然出现。当你仅仅是看一眼粒子——砰！——它就停止了决定论行为，并像孩子们在抢椅子游戏中抢椅子一样，跃向最终结果。没有定律支配坍缩。没有关于它的方程。它就那样发生了。

坍缩成为哥本哈根诠释的核心要素，哥本哈根诠释是以玻尔的研究所和海森堡早期工作的大部分所在地城市命名的量子力学观点。（具有讽刺意味的是，玻尔本人从未接受波函数坍缩。）哥本哈根诠释理所当然地接受了观察到的量子物理学的随机性，没有进一步解释的可能性。大多数物理学家都接受了它，即使只是因为心理锚定效应：这是一个足够好的故事，而且它是第一个。

尽管爱因斯坦并不反量子，但他绝对反对哥本哈根诠释。他反感测量行为应该导致物理系统连续演化的中断，而这正是他开始抱怨上帝掷骰子的背景。“具体来说，爱因斯坦在 1926 年哀叹的是这一点，而不是绝对必要条件的决定论的笼统的形而上学断言，”霍华德说。“他特别深入参与了关于波函数坍缩是否引入不连续性的争论。”

坍缩不可能是真实的过程，爱因斯坦推断。它需要超距瞬时作用——一种神秘的机制，确保波函数的左侧和右侧都坍缩到同一个狭窄的尖峰，即使没有力协调它们。不仅是爱因斯坦，他那个时代的所有物理学家都认为这种过程是不可能的；它会以超光速运行，显然违反了相对论。实际上，量子力学不仅给你骰子玩。它还给你成对的骰子，它们总是掷出双数，即使你一个在拉斯维加斯掷，另一个在织女星掷。对于爱因斯坦来说，骰子一定是装了铅的——拥有预先确定其结果的隐藏属性，这似乎是显而易见的。但是哥本哈根诠释否认了任何这样的事情，暗示骰子确实会瞬间相互影响，即使它们相隔广阔的空间。

哥本哈根诠释赋予测量的力量进一步困扰了爱因斯坦。测量到底是什么？只有有意识的生物或终身教授才能做的事情吗？海森堡和其他哥本哈根学派人士未能详细说明。有些人认为我们在观察行为中创造了现实——这个想法听起来很诗意，也许有点太诗意了。爱因斯坦还认为，哥本哈根学派人士声称量子力学是完备的，是一种永不被取代的最终理论，这需要很大的胆量。他认为所有理论，包括他自己的理论，都是通往更伟大事物的垫脚石。

事实上，霍华德认为，只要爱因斯坦的担忧得到解决，他就会乐于接受不确定性——例如，如果有人能够阐明什么是测量，以及粒子如何在不超距作用的情况下保持同步。作为爱因斯坦认为不确定性是次要关注点的一个迹象，他对决定论的哥本哈根诠释的替代方案提出了同样的要求，并且也拒绝了它们。另一位历史学家，华盛顿大学的亚瑟·范恩认为霍华德夸大了爱因斯坦对不确定性的接受程度，但同意这个人的思想比掷骰子的俏皮话所引导的几代物理学家所认为的更加扎实。

随机的想法

爱因斯坦认为，如果你抓住哥本哈根诠释的漏洞，你会发现量子随机性就像物理学中的所有其他类型的随机性一样：是更深层次运作的产物。阳光束中尘埃粒子的舞蹈揭示了看不见的空气分子的复杂运动，而光子的发射或原子核的放射性衰变与之类似，爱因斯坦认为。在他看来，量子力学是一种粗线条的理论，它表达了自然界基本组成部分的总体行为，但缺乏捕捉个别案例的分辨率。更深入、更完整的理论将完全解释运动，而不会出现任何神秘的跳跃。

在这种观点中，波函数是一种集体描述，就像说一个公平的骰子，反复投掷，每次都会大致相同次数地落在每一面上。波函数坍缩不是一个物理过程，而是知识的获取。如果你掷一个六面骰子，它落在了，比如说，四点，那么一到六的范围就“坍缩”到了四点的实际结果。一个能够追踪影响骰子的所有原子细节——你的手将立方体在桌子上滚动的确切方式——的类神恶魔永远不会谈论坍缩。

爱因斯坦的直觉得到了他早期关于分子运动的集体效应的研究的支持——该研究在物理学的一个分支统计力学中进行——他在其中证明了，即使底层现实是决定论的，物理学也可能是概率性的。1935 年，爱因斯坦写信给哲学家卡尔·波普尔：“我不相信你在你的论题中是正确的，即不可能从决定论的理论中推导出统计结论。想想经典的统计力学（气体理论，或布朗运动理论）。”

爱因斯坦思维方式中的概率与哥本哈根诠释中的概率一样客观。尽管它们没有出现在基本运动定律中，但它们表达了世界的其他特征；它们不仅仅是人类无知的产物。爱因斯坦给波普尔举了一个粒子以恒定速度绕圆运动的例子；在圆的给定弧段中找到粒子的机会反映了其路径的对称性。同样，骰子有六分之一的机会落在给定的一面上，因为它有六个相等的面。“他比当时的大多数人更了解统计力学概率的细节中存在重要的物理内容，”霍华德说。

统计力学的另一个教训是，我们观察到的量不一定存在于更深层次上。例如，气体有温度，但单个气体分子没有温度。通过类比，爱因斯坦开始相信，亚量子理论需要与量子力学彻底决裂。1936 年，他写道：“毫无疑问，量子力学抓住了真理的美丽元素……但是，我不相信量子力学将成为寻找这个基础的起点，正如反之亦然，人们无法从热力学（或统计力学）走向力学的基础。”为了填补更深层次的空白，爱因斯坦寻求统一场论，其中粒子源于看起来不像粒子的结构。简而言之，传统观点认为爱因斯坦否定了量子物理学的随机性是错误的。他试图解释随机性，而不是将其解释掉。

尽力而为

尽管爱因斯坦的总体项目失败了，但他关于随机性的基本直觉仍然成立：不确定性可以从决定论中涌现出来。量子和亚量子层级——或自然界层级结构中的任何其他一对层级——由不同类型的结构组成，因此它们遵守不同类型的定律。即使底层定律是完全规则的，支配一个层级的定律也可能留下真正的不确定性因素。“决定论的微观物理学不会导致决定论的宏观物理学，”剑桥大学的哲学家杰里米·巴特菲尔德说。

想想原子层级的骰子。它可以由数万亿个原子结构构成，这些结构在肉眼看来完全无法区分。如果你跟踪这些结构中的任何一个，当立方体滚动时，它将导致一个特定的结果——决定论地。在某些结构中，骰子最终显示一点；在其他结构中，显示两点；等等。因此，单个宏观条件（被滚动）可能导致多个可能的宏观结果（显示六个面中的一个）[参见上面的方框图]。“如果我们从宏观层面描述骰子，我们可以将其视为随机系统，它承认客观的偶然性，”利斯特说，他与法国 CY 塞尔吉巴黎大学的数学家马库斯·皮瓦托一起研究了层级的啮合。

尽管更高的层级建立在较低的层级之上（用行话说，“依存于”），但它是自主的。要描述骰子，你需要在一个骰子存在的层级上工作，而当你这样做时，你不可避免地会忽略原子及其动力学。如果你将一个层级与另一个层级交叉，你就会犯下范畴错误的谬误，这就像询问金枪鱼三明治的政治倾向（以哥伦比亚大学哲学家大卫·Z·艾伯特的例子为例）。“当我们有可以在多个层级上描述的现象时，我们在概念上必须非常小心，不要混淆层级，”利斯特说。

出于这个原因，掷骰子不仅仅是表面上随机的，正如人们有时所说的那样。它是真正随机的。一个类神恶魔可能会吹嘘它确切地知道会发生什么，但它只知道对原子会发生什么。它甚至不知道骰子是什么，因为那是更高层级的信息。恶魔永远看不到森林，只能看到树木。它就像阿根廷作家豪尔赫·路易斯·博尔赫斯短篇小说《博闻强记的富内斯》中的主人公，一个记住一切但什么也抓不住的人。“思考就是忘记一个差异，概括，抽象，”博尔赫斯写道。为了让恶魔知道骰子落在哪一面，你必须告诉它要寻找什么。“只有当恶魔被赋予我们如何划分物理层级的规范时，恶魔才能推断出更高层级的历史，”利斯特说。事实上，恶魔很可能开始羡慕我们凡人的视角。

层级逻辑也反过来起作用。不确定论的微观物理学可以导致决定论的宏观物理学。棒球可以由随机行为的粒子构成，但它的飞行轨迹是完全可预测的；量子随机性被平均掉了。同样，气体由执行极其复杂且实际上是不确定论运动的分子组成，但它们的温度和其他特性遵循非常简单的定律。更具推测性的是，斯坦福大学的罗伯特·劳克林等一些物理学家认为，较低的层级完全无关紧要。构成要素可以是任何东西，仍然会产生相同的集体行为。毕竟，像水分子、星系中的恒星和高速公路上的汽车这样不同的系统都遵循相同的流体流动定律。

终于自由了

当你从层级的角度思考时，对不确定性可能标志着科学终结的担忧就会烟消云散。在我们周围没有一道巨大的墙，将宇宙中遵守定律的部分与无政府主义和不可解释的彼岸隔离开来。相反，世界是由决定论和不确定论构成的千层糕。例如，地球的气候依存于牛顿的决定论运动定律，但天气预报是概率性的，而季节性和长期气候趋势又是可预测的。生物学也依存于决定论的物理学，但生物体和生态系统需要不同的描述模式，例如达尔文进化论。“决定论并不能解释一切，”塔夫茨大学哲学家丹尼尔·C·丹尼特说。“为什么会有长颈鹿？是因为‘注定’会有长颈鹿吗？”

人类嵌入在这个千层糕中。我们有强烈的自由意志感。我们经常做出不可预测的事情，并且在生活中的大多数决定中，我们都觉得我们有能力做出其他选择（并且经常希望我们已经做出了其他选择）。几千年来，所谓的哲学自由意志论者——不要与政治上的自由意志论者混淆——一直认为人类自由需要粒子自由。必须有某种东西打破事件的决定论流程，例如量子随机性或一些古代哲学家认为原子可以经历的“偏离”。

这种思路的问题在于，它会解放粒子，却让我们受奴役。无论你的决定是在宇宙大爆炸时预先注定的，还是由一个叛逆的粒子做出的，都不是你的决定。要获得自由，我们需要的不是粒子层级的不确定性，而是人类层级的不确定性。这是可能的，因为人类层级和粒子层级是自主的。即使你所做的一切都可以追溯到早期的事件，你也可以成为你行为的作者，因为你和你的行为都不存在于物质层级，而只存在于宏观的思维层级。“这种建立在微观决定论之上的宏观不确定性可能会确保自由意志，”巴特菲尔德说。宏观不确定性不是你决定的原因。它就是你的决定。

有些人可能会抱怨你仍然是自然规律的傀儡，你的自由是一种幻觉。但是“幻觉”这个词本身就会让人联想到沙漠中的海市蜃楼和被锯成两半的女士：不真实的东西。宏观不确定性并非如此。它是非常真实的，只是不是根本的。它与生命相当。单个原子是完全无生命的，但大量的原子可以生存和呼吸。“任何与能动者、他们的意向状态、他们的决定和选择有关的事情：这些都没有出现在基础物理学的概念库中，但这并不意味着这些现象不是真实的，”利斯特观察到。“这只是意味着这些是非常高层级的现象。”

将人类的决定描述为大脑中原子的力学，这将是一个范畴错误，更不用说完全没有启发意义了。相反，你需要使用心理学的所有概念：欲望、可能性、意图。我为什么选择水而不是酒？因为我想喝水。我的欲望解释了我的行为。大多数时候，当我们问“为什么？”时，我们是在寻求某人的动机，而不是物理学的背景故事。心理学解释假定了利斯特所说的那种不确定性。例如，博弈论家通过列出各种选择，并展示如果你理性地行动，你会选择哪一个来模拟人类的决定。即使你从未选择某个选项，你选择某个选项的自由也会引导你的选择。

可以肯定的是，利斯特的论点并没有完全解释自由意志。层级结构通过将心理学与物理学分离，并给我们机会做出意想不到的事情，为自由意志开辟了空间。但我们必须抓住机会。例如，如果我们每次都通过掷硬币来做决定，那仍然可以算作宏观不确定性，但很难被认为是任何有意义的自由意志。有些人的决策能力可能如此衰弱，以至于不能说他们是自由行动的。

这种思考决定论的方式也使得对量子理论的一种诠释变得有意义，这种诠释是在爱因斯坦 1955 年去世后几年发展起来的：多世界诠释。拥护者认为，量子力学描述了一个平行宇宙的集合——一个多元宇宙——它在宏观上以决定论的方式运作，但在我们看来是不确定的，因为我们只能看到一个宇宙。例如，一个原子可能会向左或向右发射一个光子；量子理论让结果不确定。根据多世界诠释，那是因为相同的情况出现在无数个平行宇宙中；在一些宇宙中，光子以决定论的方式向左传播，而在另一些宇宙中，光子向右传播。由于无法分辨我们居住在哪个宇宙中，我们无法预测会发生什么，因此从内部来看，这种情况似乎是无法解释的。“宇宙中没有真正的随机性，但在旁观者看来，事物可能是随机的，”麻省理工学院的宇宙学家马克斯·泰格马克说，他是这种观点的杰出支持者。“随机性反映了你无法自我定位。”

这与说骰子或大脑可以由无数个原子结构中的任何一个构成非常相似。这些结构可能是各自决定论的，但因为我们无法知道哪一个对应于我们的骰子或我们的大脑，所以我们必须将结果视为不确定的。因此，平行宇宙并不是宇宙中某种奇异的想法。我们的身体和大脑是小型的多元宇宙，正是可能性的多样性赋予了我们自由。