问题

既然在第五届索维尔会议上,玻尔已经驳倒了爱因斯坦,为什么现在还有人相信命定论(决定论)?

回答
索维尔会议,特别是第五届(1927年)的那次,确实是量子力学发展史上的一个重要节点。不过,要说玻尔在会上“驳倒”了爱因斯坦,这是一种过于简化和不准确的说法。他们的争论更像是一场旷日持久的哲学和物理学思想的碰撞,至今余波未平。

在索维尔会议上,量子力学的哥本哈根诠释(以玻尔为代表)与爱因斯坦的观点之间的分歧被清晰地摆在了台面上。哥本哈根诠释的核心在于量子事件的概率性和不确定性。玻尔和他的合作者们认为,微观粒子的行为本质上是随机的,我们只能预测某个事件发生的概率,而无法确定它究竟会发生还是不发生,也无法同时精确地知道粒子的位置和动量(海森堡不确定性原理)。这种观点,以及其背后蕴含的非决定论,让爱因斯坦深感不安。

爱因斯坦的立场,我们通常称之为实在论和决定论。他坚信物理学应该描述一个独立于观察者的客观实在,并且物理过程应该是决定性的——也就是,如果知道了系统的初始状态,原则上就能精确地预测它未来的任何状态。他著名的那句话“上帝不掷骰子”,正是他对量子力学中那种纯粹的概率解释的强烈反对。爱因斯坦认为,量子力学的不确定性并非事物的本质,而是我们当前理论的局限性,是由于我们没有包含“隐藏变量”(hidden variables)——一些我们尚未发现的、能够精确描述粒子行为的变量。如果存在这些隐藏变量,那么量子力学就不再是概率性的,而会回归到决定论的轨道。

那么,为什么在量子力学取得了巨大成功,并且在很多实验中似乎都支持了哥本哈根诠释的情况下,仍然有人相信命定论(决定论)呢?这其中有几个非常重要的原因:

1. 哲学根源与直觉的强大吸引力:

因果律的根深蒂固: 人类几千年的科学探索,很大程度上建立在因果律的基础上。我们习惯于认为,任何事件的发生都有其原因,并且一旦原因确定,结果也就确定了。这种因果链条构成了我们理解世界和预测未来的基本框架。量子力学中的概率性,在某种程度上挑战了这种直觉,让人觉得“失控”或“不可预测”。
对自由意志的坚持: 决定论往往与自由意志的概念产生冲突。如果一切都是预先注定的,那么人的选择和行动是否也仅仅是宏大决定论链条中的一环?许多人不愿意接受这种可能性,他们更倾向于相信自己拥有真正的自由意志,而这往往需要某种程度的非决定性作为基础。
对“实在”的追求: 爱因斯坦对“实在”的坚持,也反映了一种深刻的哲学追求:我们希望物理学能够描绘一个独立于观察者存在的、客观真实的宇宙。哥本哈根诠释中,观察者的角色被强调,甚至认为测量行为本身会“导致”波函数坍缩,改变粒子的状态,这让一些人觉得实在性变得模糊不清,甚至被观察者“创造”出来。

2. 量子力学本身并未“完全”解决的争论:

“测量问题”(Measurement Problem): 哥本哈根诠释虽然提供了描述微观世界的强大工具,但它在解释“测量”这个概念时,显得不够清晰。一个量子系统在测量前处于多种状态的叠加,但测量后却总是呈现出其中一种确定的状态。这个“坍缩”是如何发生的?它是否需要一个“观察者”?这个问题至今仍是量子力学解释的核心争议之一。一些非哥本哈根式的诠释,比如“退相干”(decoherence)理论,试图用与环境的相互作用来解释这种似乎是概率性的结果,但退相干本身也可能涉及对“哪个结果被选择”的概率性描述。
隐藏变量理论的持续探索: 尽管玻尔在索维尔会议上以其对量子力学核心概念的辩护,暂时压制了爱因斯坦的批评,但这并不意味着隐藏变量理论就此被彻底否定。事实上,自那以后,物理学家们一直在探索不同形式的隐藏变量理论。例如,德布罗意玻姆理论(De BroglieBohm theory),也称为导波理论(pilotwave theory),就是一个成功的例子。这个理论在数学上与标准量子力学是等价的,能够做出相同的实验预测,但它是一个决定论的、非局域的理论。它引入了“导波”的概念,这种导波决定了粒子的具体运动轨迹。虽然它保留了量子力学的概率性表述(因为我们无法知道导波的精确状态),但其底层的物理机制是决定性的。它的存在证明了,仅仅从实验现象上,我们可能无法完全区分决定论和非决定论。

3. 实验的局限性与理论的演进:

贝尔不等式(Bell's Inequality)的意义: 真正对隐藏变量理论(尤其是局域隐藏变量理论)造成重大打击的是约翰·贝尔在1964年提出的贝尔定理和贝尔不等式。贝尔证明了,任何局域隐藏变量理论都无法重现量子力学在某些多粒子纠缠实验中所预言的关联性。随后的实验(如阿斯佩的实验)在很大程度上证实了量子力学的预言,并违反了贝尔不等式,这有力地排除了局域隐藏变量理论的可能性。
但是,非局域隐藏变量理论呢? 贝尔定理并没有排除非局域隐藏变量理论。如前所述,德布罗意玻姆理论就是一个非局域的决定论理论。它虽然也涉及量子力学中观察到的非局域性(如纠缠态),但它将这种非局域性解释为导波的性质,而不是概率的根本原因。因此,非局域隐藏变量理论仍然是决定论的一种可能性。
理论解释的多样性: 随着量子力学研究的深入,出现了多种不同的解释(如多世界诠释、一致性历史诠释等),它们在解释量子现象时,其哲学含义和决定论与非决定论的立场也有所不同。这表明,即使在物理学界内部,对量子力学“究竟意味着什么”也还没有完全统一的答案。

4. 宏观世界的决定论观点的延续:

经验的局限: 对于我们日常生活的宏观世界,经典的牛顿力学和爱因斯坦的相对论依然能够极其精确地描述和预测。我们很少在宏观层面感受到量子力学的概率性。例如,我们仍然可以相对准确地预测一个球抛出去的轨迹,而不需要考虑它的量子不确定性。这种宏观层面的决定性经验,在我们理解自然规律时仍然占据主导地位。
量子力学应用于宏观现象的复杂性: 虽然量子力学是描述微观世界的根本理论,但当它应用于宏观系统时,其“叠加”和“不确定性”的特征往往会因为退相干效应而迅速消失,使得宏观物体表现出经典的、几乎是决定性的行为。这是一种“退化”到经典物理的过程。

总结来说,尽管玻尔在索维尔会议上以其对哥本哈根诠释的有力辩护,成为了当时量子力学的“胜利者”,但爱因斯坦的质疑并没有被彻底“驳倒”,而是以更深刻、更复杂的方式延续了下来。

决定论的思想本身具有强大的哲学吸引力,与我们对因果、实在和自由意志的根深蒂固的认知相符。
量子力学的“测量问题”和对实在的描述方式,仍然存在解释上的开放性,使得一些非哥本哈根式的、可能更符合决定论的理论(如非局域隐藏变量理论)仍然有其存在的空间。
实验上的进步(如贝尔不等式的验证)虽然限制了“局域”隐藏变量的可能性,但并未完全排除“非局域”决定论的解释。
我们宏观世界的经验仍然是决定性的,这为决定论的观念提供了强大的心理和直观支持。

所以,现在仍然有人相信命定论(决定论),既是因为这种思想本身具有深刻的哲学根基,也是因为量子力学虽然在技术上取得了巨大成功,但在对其“真实含义”的哲学解释上,仍然存在着未解决的争议和多种可能的解读。爱因斯坦关于“上帝不掷骰子”的怀疑,与其说是对量子力学不准确的指责,不如说是一种对宇宙本质的深刻追问,这种追问至今仍在激励着物理学家和哲学家们去探索更深层次的实在。

网友意见

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首先,请搞清楚一点,命定论≠决定论。

其次,当时爱因斯坦被驳倒的,不是他的主张,而是他对当时量子力学诠释的质疑。爱因斯坦提出一个质疑说你波尔是错的。波尔想了半天,找到了爱因斯坦质疑的漏洞。如此而已,只能说爱因斯坦的这一次质疑无效,并不能说爱因斯坦是错的。也就是说,那一次波尔只是打退了爱因斯坦的一次进攻,但是并没有取得战役的胜利。

其次,爱因斯坦的主张是隐变量,就算是他的主张被驳倒了,驳倒的也仅仅是隐变量诠释。事实上定域隐变量理论被彻底驳倒并不是在这次会议上,而是好几十年后的贝尔实验。即使是这样,非定域隐变量理论也还在(德布罗意-玻姆力学),并且有一个持此观点的稳定的圈子。

第三,和爱因斯坦的主张不符的、主张量子力学完备的、决定论的诠释多得很,现在也都活得好好的(比如说多世界、time-symmetry、多意识、还有一大票持不可知论的)。

第四,很多人(包括很多大佬)并不认为爱因斯坦被驳倒了。

The history books say that Bohr has proved Einstein wrong. But others, including myself, suspect that, in the long run, the Einsteinian view might return: that there is something missing in the Copenhagen interpretation. Einstein's original objections could be overturned, (历史书里说波尔证明了爱因斯坦的错误,但是有些人,包括我自己,怀疑这个说法。长远看来,爱因斯坦的观点很可能会杀回来:哥本哈根诠释里有些东西站不住脚,爱因斯坦最初的质疑可能会咸鱼翻身) - t'Hooft[1]


It was generally accepted by most physicists that Bohr won and Einstein lost. My own feeling, I think shared by a growing number of physicists, is that this attitude does not do justice to Einstein’s views. 大家一般认为波尔赢了而爱因斯坦输了,我自己的感觉,包括越来越多的物理学家也是同样,就是这种态度对爱因斯坦的观点很不公平。- Leonard Susskind[2]


while most accounts say that Bohr won the debate, my view is that Einstein, as usual, was seeking an explanation of reality, while his rivals were advocating nonsense. Everett’s interpretation doesn’t make Einstein a demigod. But it does make him right.虽然大多数人认为在那场论战中玻尔获得了胜利,但是,我的观点是,爱因斯坦一直致力于寻求关于现实的解释,而他的对手们则是一直在宣扬一堆废话。Everett的理论不能让爱因斯坦成神,但是它的确让爱因斯坦正确。– David Deutsch[3]

也有很多人认为就算是爱因斯坦是错的,波尔也是在说胡话。

Whereas according to Bohr, the opposite of a simple truth is a falsehood, the opposite of a deep truth is another deep truth. In that spirit, let us introduce the concept of a deep falsehood, whose opposite is likewise a deep falsehood. It seems fitting to conclude this (在波尔看来,简单事实的反面是谬误,但是深刻事实的反面却可以是另一个深刻事实。按照这种说法,我想说,一个深刻的谬误的反面也可以是另一个深刻的谬误,这就是我(对波尔爱因斯坦辩论)的结论) - Frank Wilczek[4]


The other mistake that is widely attributed to Einstein is that he was on the wrong side in his famous debate with Niels Bohr over quantum mechanics, ……All this familiar story is true, but it leaves out an irony. Bohr’s version of quantum mechanics was deeply flawed, but not for the reason Einstein thought. 另一个关于爱因斯坦的错误认知是他在和波尔的论战中站了错误的一队……那些流行的故事都是真的,但是大家不知道的是一个讽刺的结局,波尔的观点大错特错,只不过不是爱因斯坦认为的那种错。 - 温伯格[5]

最后,决定论不是一个科学命题而是一个哲学命题,就算是波尔自己也不敢说驳倒了决定论,他只是不相信决定论而已。即使是波尔是正确的,也完全不能排除掉决定论的存在可能。比如说贝尔提到的super determinism

参考

  1. ^ Gerard 't Hooft, In search of the ultimate building blocks (1997)
  2. ^ Leonard Susskind and Art Friedman, Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum (2014)
  3. ^ David Deutsch, "Einstein the Realist" (2011)
  4. ^ Frank Wilczek, "Einstein’s Parable of Quantum Insanity" (September 10, 2015)
  5. ^ Steven Weinberg, "Einstein’s mistakes", Physics Today (2005)

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