137年前的今天（1885年10月7日），哥本哈根學(xué)派創(chuàng)始人、丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾出生。在量子力學(xué)誕生之初，他曾和愛因斯坦有過一場世紀(jì)之爭，涉及量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)及哲學(xué)思想方面。
為何這兩位物理學(xué)大師在量子理論上持有相反的觀點？他們的爭論給量子力學(xué)的發(fā)展帶來了怎樣的影響？北京量子信息科學(xué)研究院研究員常凱曾在第674期首都科學(xué)講堂中作了《改變世界的量子科技》講座，對這場世紀(jì)之爭進(jìn)行了詳細(xì)的科普，快來一起學(xué)習(xí)吧！

玻爾與愛因斯坦觀點相悖

量子力學(xué)帶來的新世界觀沖擊著19世紀(jì)以來形成的哲學(xué)體系：世界的本質(zhì)是概率的，而非決定論的；在觀測前，被觀測物的狀態(tài)是不確定的，通過觀測才能被確定；物理過程是非定域的，相隔很遠(yuǎn)的物體也可以通過量子糾纏瞬間發(fā)生相互作用。這些就是以玻爾為代表的哥本哈根詮釋派的觀點。

而反哥本哈根詮釋派的代表人物愛因斯坦認(rèn)為，“上帝是不擲骰子的！”“難道當(dāng)我不看月亮的時候，它就不存在了嗎？”量子糾纏是“鬼魅般的超距作用”！

玻爾和愛因斯坦在辯論

1935年，愛因斯坦、波多爾斯基、羅森共同發(fā)表論文，提出“EPR佯謬”，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了隱變量理論。1964年，有一位名叫貝爾的工程師提出可以通過一個不等式來檢驗隱變量是不是真正存在。
嚴(yán)格檢驗“隱變量”是否存在的數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)是，在一個量子系統(tǒng)中，若四個概率之間有如下關(guān)系：

則隱變量可能存在。否則，說明隱變量不存在，量子態(tài)的本質(zhì)就是概率的。

由世紀(jì)之爭引發(fā)的第一次量子科技革命

雖然以當(dāng)時的實驗技術(shù)來說，人們無法真正用它來驗證理論的哲學(xué)爭辯，但這并不影響科學(xué)家們在量子理論的指導(dǎo)下做出新的發(fā)明創(chuàng)造，這就直接引發(fā)了從20世紀(jì)中葉開始的第一次量子科技革命。

其中，最具代表性的事件就是1947年世界上第一個半導(dǎo)體晶體管誕生。半導(dǎo)體的性質(zhì)必須通過從量子力學(xué)導(dǎo)出的能帶理論才能夠解釋。接下來的幾十年間，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展迅猛，從集成電路的誕生到英特爾第一個微處理器4004包含2250個晶體管，再到華為麒麟9000處理器包括153億個晶體管……可以說，半導(dǎo)體技術(shù)是信息時代的基礎(chǔ)。

世界上第一個半導(dǎo)體晶體管（1947年）

另外，在量子力學(xué)建立之后，人們才知道，原來磁性是一種宏觀量子現(xiàn)象。電子自旋產(chǎn)生磁矩，一個電子相當(dāng)于一個小磁針，材料中大量電子磁矩沿同一方向排列，產(chǎn)生宏觀磁性。量子力學(xué)的原理決定了電子磁矩的分布。所以我們發(fā)明了像硬盤這樣能夠大量存儲數(shù)據(jù)的介質(zhì)，也就奠定了大數(shù)據(jù)時代的物質(zhì)基礎(chǔ)。

除此之外，還有激光、核磁共振、超導(dǎo)等，都是第一次量子科技革命中所產(chǎn)生的革命性的應(yīng)用，可以說量子科技在我們的生活中已經(jīng)無處不在。

世紀(jì)之爭結(jié)局塵埃落定

前面提過，貝爾提出不等式后，還沒能真正做成裁判，這個局面到20世紀(jì)70年代終于被打破。1972年，S. J.弗里德曼和J. F.克勞澤進(jìn)行了第一個貝爾不等式驗證實驗，結(jié)果支持量子力學(xué)。30多年來，眾多實驗結(jié)果均支持量子力學(xué)，而與隱變量理論不符。2015年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)R.韓森領(lǐng)導(dǎo)的小組進(jìn)行了幾乎無漏洞的貝爾不等式驗證，基本宣告了隱變量理論的失敗。

雖然愛因斯坦最終在這場世紀(jì)之辯中落敗，但他的思考啟發(fā)了后人，間接導(dǎo)致了貝爾不等式的產(chǎn)生，進(jìn)而產(chǎn)生了基于貝爾不等式的“貝爾態(tài)”，從而為現(xiàn)代量子計算與量子通信打下了基礎(chǔ)。愛因斯坦的思考雖不正確，但絕不是毫無價值，科學(xué)研究不怕錯，只怕不思考、不實踐。

來源: 北京科協(xié)