一百年前，一群物理学家动摇了科学的基础，这震撼至今且仍在持续。
在1926年，哥本哈根理论物理研究院的火药味渐浓。这所研究所是由丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）于10年前组建成立的。他将其打造成一个汇聚正在原子领域建立新物理理论的年轻科学家们的温室。1925年，玻尔的一位学生，才华横溢且雄心壮志的德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg），提出了一种新的原子理论。但是现在每个人都在为该理论的物理现实本质展开激烈讨论。
而对于哥本哈根的理论组而言，这个理论的提出意味着现实物理学的根基远没有被完善，物理学远不止需要“修修补补”。
玻尔因其在1913年史无前例地提出的原子结构理论而名誉科学界。受到德国物理学家马克思·普朗克（Max Planck）于1900年提出的量子理论的启发，玻尔认为原子中围绕原子核运动的电子只能被束缚到具有特定能量的轨道上，并且只有通过发射或吸收离散的能量才可以在这些轨道之间实现跳跃，而这个分立的离散能量被称为量子。
量子理论让玻尔赢得了1922年的诺贝尔奖，但是这个理论只是单纯简单地将传统的物理理论和普朗克的量子假说缝合起来。玻尔渴望一个能够说明为什么原子具有这种量子化行为的解释。这个解释无法建立在从17世纪牛顿制定经典力学定律以来的传统物理理论，而是必须要建立在一个新的量子机制上。
这样的一个“量子理论”最终在1925年的夏天由海森堡提出。当时海森堡因为得了花粉热，在北海的赫尔戈兰岛上疗养。这位雄心勃勃、大胆且充满物理天赋的年轻人，早在1922年在哥廷根大学一场讲座上挑战玻尔的理论，受到了玻尔的关注。
1924年，玻尔邀请这位年轻人前往哥本哈根，两人开始寻找一种方法，将量子假说用严谨的数学形式表达出来。海森堡也做出了类似玻尔在提出原子的量子理论时所展现的大胆尝试：他摒弃传统所坚持的一切理论基础，一切从头开始。他的理论尝试包括：以矩阵的形式写下原子发射光的频率数值的实验结果。这些矩阵可以用来进行计算，例如预测发射光的强度。
海森堡所提出的基于矩阵的量子力学看起来正是玻尔一直在等待的突破。玻尔给自己的前导师、新西兰裔英国物理学家欧内斯特·卢瑟福的信中写道：“我们现在看到了发展原子结构定量理论的可能性。”
然而，海森堡严谨的矩阵力学并没有透露出这些数学对现实世界——即物质、光和能量的物理本质——意味着什么。这一留白是有意的。海森堡决定只基于实验的结果进行研究，不对其描述的潜在现实做任何假设。
爱因斯坦的怀疑
到1926年，量子力学的解释问题变得相当混乱。哥本哈根学派——包括玻尔、海森堡以及同事，如直言不讳的年轻奥地利人沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）和他们的合作者马克斯·玻恩（Max Born），海森堡在哥廷根的前导师——与阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，他在1905年提出了光量子）和奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）等同行在如何解释新的量子力学上存在分歧。来自哥本哈根学派的建议是，量子世界根本无法用在时空中相互作用的物体来形象化，这在爱因斯坦和薛定谔看来，似乎是放弃了科学努力追求的一切：描述现实的物理图景。
更重要的是，在这一年初，薛定谔提出了一种与海森堡的量子力学形式相竞争的理论，这一理论是基于量子粒子可被描述为波的假设所展开的。这似乎慢慢展现了目前物理学家们正在研究的量子力学的物理图景：矩阵是抽象和数学的，但波——即使是粒子实体如电子的波——也是大家所熟知的现实内容。然而，海森堡似乎对于这种新理论对矩阵量子力学的明显竞争感到沮丧，他将波动力学斥为“废话”；薛定谔反过来也表示了他对矩阵力学中能量状态之间突然的量子跃迁这一假设感到“厌恶”。
然而，很快哥本哈根学派内部也出现了分歧。在试图理解海森堡的想法时，玻尔发现自己与这位年轻的德国人的意见产生了冲突。玻尔倾向于接受薛定谔的波的概念，并提出了一个名为“并协原理”（complementarity）的概念，这成为了量子力学的基石：像电子这样的物理实体可以表现为粒子或波的性质，但这一个两面性并不能在同一时间或同一实验中同时出现。
海森堡并不太在意这种定性的想法，他更倾向于仅仅基于数学的推演。他后来写道：“我们的讨论常常持续到深夜，尽管付出了长时间的努力，但并没有得出令人满意的结论；我们俩都变得非常疲惫，而且相当紧张。”他们的分歧几乎让海森堡崩溃。
相对的荒谬：爱因斯坦和玻尔在量子物理学的解释上有着著名的分歧。爱因斯坦对于量子物理学中“现实只意味着我们观察到的东西”这一观点感到不满，他以一种恼怒的语气质疑，如果我们不去看月亮，月亮是否就不存在。这种观点挑战了爱因斯坦对于物理现实的理解，他认为科学的目标是揭示一个独立于观察者的客观现实。
在1927年春天，玻尔出发去挪威进行滑雪旅行，并独自思考了量子力学的问题。在他离开期间，海森堡撰写了一篇论文，其中试图解释他的矩阵力学对于量子对象意味着什么。海森堡在论文中得出的结论似乎非常奇怪。
玻尔指出，量子粒子的一些属性对是我们无法像我们希望的那样同时精确测量的。如果我们更准确地测量了其中一个属性，那么另一个属性就必然会变得不那么确定。海森堡说，在自然界的核心存在着一种基本的不确定性。从经典物理学的角度来看，这似乎很疯狂，因为没有什么能阻止我们同时测量一个大的经典物体的速度和位置（如果做不到这一点，又怎么能对超速行驶进行罚款呢？）。
当玻尔在滑雪场上时，海森堡向他的导师玻尔提交了他的论文以供发表，但是只得到了玻尔对海森堡论文的反馈：论文中存在严重缺陷。海森堡试图通过展示如何同时采用某种手段准确测量出伽马射线激发出的电子的位置和速度，以此来说明他的“不确定性原理”（uncertainty principle），而这不可避免地会干扰到正在测量的对象本身。但玻尔认为，海森堡在这里忽视了伽马射线的波动性——当然，他确实忽视了，因为他根本不喜欢量子力学中的波的概念。
随后，双方进行了更多激烈的讨论，之后海森堡同意在论文末尾加上一条注释，承认玻尔关于波粒二象性互补性的观点。“感谢上帝！”他写信给父母说，“我与玻尔的友谊当然比物理学更重要。”
问题的关键不仅仅在于新的量子力学是否正确。至少对于哥本哈根学派来说——或者至少说玻尔和海森堡的观点是一致的——这一理论挑战了过去几个世纪以来整个科学事业所依赖的假设。
他们认为，量子力学要求我们摒弃旧有的现实观念，用更模糊、更不明确、更令人不安的主观性来取代它。科学家们再也不能假设他们是在客观地探索一个预先存在的世界。相反，似乎实验者的选择决定了所看到的内容——事实上，决定了哪些内容可以被视为真实。
换而言之，世界并不是简单地、机械地存在那里，等着我们去发现关于它的所有事实。海森堡的不确定性原理表明，世界的这种事实只有在我们测量它们时才被确定。如果我们选择精确地测量电子的速度（更严格地说，是其动量），那么代价是我们得接受——关于电子位置的事实根本不存在。或者反之亦然。
然而，“在我们测量其中一个之前，位置或动量是什么？”这个问题是没有答案的——不是因为我们只有观测完之后才能够知道，而是因为这个问题没有意义。现实似乎会受到我们测量的方法的影响。爱因斯坦觉得这个想法很疯狂。海森堡说，爱因斯坦拒绝承认“即使在原则上，也不可能发现完整描述一个物理过程所需的所有部分事实。因此，他断然拒绝接受不确定性原理。”
一个世纪后，科学家们仍在争论量子力学对现实本质意味着什么这一问题。其它可以解释量子力学的观点也出现了，并引发了激烈的辩论。
其中之一是“导航波”（pilot-wave）理论，该形式的理论是由法国物理学家路易·德布罗意（Louis de Broglie）在20世纪20年代提出，并且直到20世纪50年代才由大卫·玻姆（David Bohm）进一步发展完善。该理论认为，量子粒子是在时间和空间上具有明确属性的真实实体，但它们在一个被称为量子势的神秘场中的波的影响下发生改变并相互作用。
也许对于量子力学理论，最受欢迎的解释通常被称为多重世界观（many-worlds view），该观点最初由美国物理学家休·埃弗雷特（Hugh Everett）于1957年提出。它认为，测量并没有主动在量子力学允许的可能结果中选择哪一个成为“现实”；相反，所有结果发生了，但它们发生在测量发生时所形成的不同的多重世界中。
2022年因对量子世界难以捉摸的本质进行实验研究方面的贡献（纠缠光子实验和证伪贝尔不等式）而获得诺贝尔奖的物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）表示，在德布罗意-玻姆解释的情况下，不可能证明“任何粒子都有现实的轨迹”。同时，埃弗雷特表示“在不同状态中同时进行观察，在本质上是无法从实验上进行验证的。”
这些对量子行为的这些解释表明，物理学家们想要找到量子力学和客观现实的联系。他们想要回归哲学家们所说的现实主义，即事物具有确定的位置和属性，无论我们如何观测它们，或者我们是否观测它们。但到目前为止，对量子世界的科学调查并没有满足现实主义者的要求。
翻译内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
作者：Philip Ball
翻译：*0
审校：Aegon
原文：When Reality Came Undone
编辑：7号机
