還只有四五歲時，愛因斯坦有次生病，父親給了他一個指南針玩耍。小小的愛因斯坦立刻著了迷。

成年后，他多次回顧那次經歷，顯然印象深刻。他記得，無論他如何極力地調整擺布，那小玩意里的指針總是頑固地指著一個方向，絲毫不為他所動。他回憶說那時他曾因之渾身顫抖冷汗淋漓。

雖然還處于懵懵懂懂的年齡，愛因斯坦也明白那指南針不會有自主意識。在它倔犟行為的背后，肯定深藏有某種力量在推動。

在早期人類的眼里，自然界充滿了不可捉摸的神秘。尤其是當驚天動地的風暴、地震、洪水、海嘯突如其來時，他們無法理解，只能將之歸因于超自然的神力。中國人創(chuàng)造了玉皇大帝王母娘娘，還有翻云覆雨的龍王。希臘人則有著海神波塞冬（Poseidon）。他性情暴躁，一發(fā)怒就會掀起滔天的災難。

海神波塞冬

希臘歷史記載中最早的哲人泰勒斯（Thales）對這個“解釋”很不滿意。如果波塞冬只是在某個角落大吼一聲，遙遠的地面就會發(fā)生震動，這中間太缺乏現(xiàn)實的聯(lián)系。泰勒斯覺得地震不可能憑空發(fā)生。他設想人類居住的陸地下面其實是海洋，地面只是漂浮在水面上的巨大板塊。當海浪洶涌引起陸地顛簸時，上面的人們就會感覺到地震的發(fā)生。

也許波塞冬的確還是在掌管著這一切的發(fā)生。但無論怎么生氣，也無法僅僅憑著意念引發(fā)大地的震動。他只能先在地下的海洋中掀起風浪，推動起那上面的陸地板塊，才能造成地震。

泰勒斯沒有進一步解釋波塞冬如何能在海洋中興風作浪。他的理論只是在波塞冬的情緒發(fā)泄和地震之間增加了一個海洋作為中繼的過渡。這個聽起來似乎換湯不換藥的小伎倆卻標志著理性思維的一大突破。

當神話中的波塞冬無論是以腦子里的憤怒閃念、撕心裂肺的咆哮還是手中鋼叉的狂野揮舞都無法遠距離地引發(fā)地震，而必須通過現(xiàn)實的海洋推動陸地時，至少地震的發(fā)生有了一個切實的起因：海洋的波浪搖撼大地，造成后者的晃動。

這是一個直截了當的因果關系，不再帶有超自然的神跡、魔力。那地下的海洋存在與否、是不是地震的真正起因，都可以現(xiàn)實地檢驗。相比之下，波塞冬的情緒、行為卻只是一個虛無縹緲無可捉摸，既不可能證實也無法證否的因素。

水能載舟亦能覆舟，是因為水與舟之間有著直接的接觸。水因此可以推動航船以及大地搖晃。同樣地，當看到一根樹枝在空中晃動時，理性的人不會像禪師那樣去揣測那只是“心動”，也不會懷疑那是千百里外的某個人施放了氣功。也許一只鳥剛從那樹枝上飛走，或者一絲微風正好吹過。鳥或風碰到樹枝，使之搖曳。

在希臘哲人的心目中，只有這種發(fā)生在同一個地點、通過直接的接觸起作用的原因和結果才能構成實實在在、可驗證的因果關系。這是因果律的“局域性（locality）”。

愛因斯坦在1927年索爾維會議上再度提起他的泡泡悖論，描述一顆光子或電子擊中熒光屏某個地點時，其波函數會發(fā)生突然的坍塌，從一個非常大的半球面均勻分布變成只在那一個點存在的δ函數。他的本意就是要強調被擊中的那個點和半球面上的其它部位距離上可以遠隔萬里。那個點上所發(fā)生的撞擊事件不應該瞬時地影響到其它地點的波函數行為。如是真是那樣，就會違背了局域性，是一種不能接受的“超距作用（action at a distance）”。

相傳早在公元前中國就出現(xiàn)了“司南”， 作為能幫助人們辨識方向的指南針。泰勒斯所在的希臘還沒有那樣的工具。但他們也已經知道自然界存在有磁石，可以不通過接觸便讓鐵屑移動。如果使勁地摩擦琥珀，它也能在一定距離上讓人毛發(fā)盡豎。

顯然，這都屬于違反了局域性的因果聯(lián)系。泰勒斯他們百思不得其解。但與童年的愛因斯坦一樣，他們不相信那是超距作用。在磁石、琥珀的背后肯定還藏著有未知的因素在起作用。

這個神秘的幕后黑手遲至19世紀才終于被英國的法拉第（Michael Faraday）揭穿。他通過實驗發(fā)現(xiàn)磁石的周圍存在磁場、摩擦后帶電的琥珀周圍存在電場。電場和磁場彌漫于空間，像泰勒斯的地下海洋一樣成為磁石與鐵屑、琥珀與頭發(fā)之間的中介。那肉眼看不見的磁場和電場通過接觸推動了鐵屑和頭發(fā)，并非跨越空間的超距作用。

當麥克斯韋將法拉第的發(fā)現(xiàn)總結、提升為系統(tǒng)的電磁學理論時，他更揭示出這個相互作用不僅沒有跨越空間距離，也不具備跨越時間的瞬時效果。電磁作用是通過以光速運行的電磁波傳遞，在不同地點之間的傳播需要有一定的時間差。

少年時的愛因斯坦在中學里學習了電磁學的基本知識，得以解開了童年時的困惑：是地球周圍存在著的地磁場在暗中操縱著他的指南針，迫使那指針頑固地指向南北兩極。那就是他當初懷疑過的深藏著的力量。

然而，那時也已經有了另外的超距作用。為了解釋日月星辰的運動和蘋果的掉落，牛頓早就發(fā)明了萬有引力：任何兩個物體之間都存在有引力作用。這個引力超越了時間和空間的障礙，無論相隔多遠都能夠即時感應到，只是強度會隨距離（的平方）減弱。

地球之所以在軌道上年復一年地公轉，是因為有來自太陽的引力——盡管兩者之間存在著長達1.5億公里的虛空。

那也是一個違反局域性的因果關系。面對同時代的萊布尼茲（Gottfried Leibniz）等人的反復詰問，牛頓只能攤開雙手聳聳肩，承認他無法自圓其說。雖然如此，他的學說在太陽系運動的描述、預測中久經考驗屢試不爽，也不能不令人信服。

1905年，還在專利局打工的青年愛因斯坦發(fā)表了一個嶄新的動力學理論，將光速是信息傳播速度的最高極限提升為物理學的原理。但他深知那瞬時作用的萬有引力恰恰違反了這個限制。所以，他只把這個新理論稱作“狹義”相對論。又經過漫長十年的艱苦努力，他才得以完成“廣義”的相對論。在這更進一步的理論中，萬有引力不再是牛頓的超距、瞬時作用，而代之以空間的彎曲。在太陽附近，空間因為太陽質量的存在發(fā)生了彎曲，改變了地球的行徑。地球公轉的直接原因不是遙遠的太陽，而是地球所在當地的空間曲率。

于是，愛因斯坦再一次打破超距作用的迷霧，恢復了具備局域性的因果關系。彎曲的空間像泰勒斯的地下海洋、法拉第的電磁場一樣，為引力作用提供了直接的接觸。

所以，當超距作用借助量子理論又一次死灰復燃時，愛因斯坦立即便有了警覺。在他的心目里，因果律的局域性至關重要。

當實驗臺上的指南針突然搖動時，科學家知道那是因為旁邊的一根導線正好有電流經過。那又是因為導線連接著電池，其開關剛剛被打開。那開關又是因為他助手的手指正按著按鈕……這一連串可以追溯、能夠驗證的局域行為是科學家能夠解釋指南針搖動的邏輯基礎。假如指南針的搖動同時也可能是因為波塞冬在海底皺了眉頭，地球上某人不小心發(fā)了氣功，或者水星與火星的位置發(fā)生了“相沖”，那么這個實驗結果就不可能有確定的解釋?？茖W也會隨之失去存在的價值。

因此，從1909年的泡泡悖論到1927年的波函數坍縮，愛因斯坦頻繁地提請同僚們注意這個致命的缺陷，卻始終不得要領。

在早先的十年里，愛因斯坦曾經是量子概念的獨行者，沒有人認同他的光子概念。這時，他又在群星璀璨的索爾維會議上發(fā)現(xiàn)自己依然形單影只，沒有人理解他對超距作用的憂慮。

德布羅意還是在這次的索爾維會議上才第一次見到他的伯樂和偶像 。但他很是灰心喪氣，因為他的演講被泡利、克萊默等人駁得體無完膚，而愛因斯坦卻沒能施以援手。會議結束后，他們一同乘車去巴黎。愛因斯坦在那里換車回柏林。在巴黎北站的站臺上分手時，愛因斯坦熱情地鼓勵德布羅意：別失望，繼續(xù)努力。你正在走的路是對的。

當愛因斯坦看到德布羅意在會上提出隱變量理論時，他不由啼笑皆非。與童年時看到指南針那不合情理的表現(xiàn)一樣，愛因斯坦堅信量子世界中的超距作用背后隱藏有更深刻的物理機制，會像電磁場、空間彎曲一樣提供合理的局域性解釋，保證因果關系的完整。那便是量子力學中的隱變量。德布羅意的理論與他自己本來準備在會上發(fā)表的論文大同小異，走的是同一條路。

愛因斯坦卻在會前撤回了論文，因為他發(fā)現(xiàn)了另一個讓他無所適從的問題。

泰勒斯之后的希臘哲人們篤信因果關系是理解、解釋世界的不二法寶。在沒有上帝、神靈頤指氣使的理性世界里，勒皮普斯（Leucippus）聲稱，“沒有無緣無故的發(fā)生，一切都有其原因和必要”。

微風的吹拂是樹枝晃動的原因，樹枝不會也不能夠自作主張讓自己搖晃起來。作為因果關系，微風與樹枝不僅需要有直接的接觸，還必須是兩個可以彼此分開的物體。假如世界萬物均為同一個整體，不可分割，那就無從談起誰能影響誰，誰能把誰推動。只有在具備可分離性（separability）的前提下才能言及因果關系。

那么，物體又是如何地可分呢？

與勒皮普斯同時代的芝諾（Zeno）最喜歡鉆這種牛角尖。他尤其擅長假想試驗，只是古代的希臘還沒有那個概念。芝諾的假想試驗經常導致邏輯上的矛盾，因此被歸為哲學思辯中的悖論。

據說芝諾曾提出過幾十則五花八門的悖論。他證明過奔跑速度最快的阿基里斯（Achilles）永遠也追不上一只緩慢爬行著的烏龜，也論述過一支射出去的飛箭其實仍然處于靜止狀態(tài)。但他心目中最深刻、最有意義的卻是所謂的無限可分悖論：將一個物體分成兩半，然后再將其中的一半又分成兩半……這個過程可以無窮無盡地進行下去，永遠也不可能分完。因此，他認為物體其實是不可分的。

作為回應，勒皮普斯的學生德謨克利特（Democritus）干脆提出一個新的假設：物體并不是連續(xù)的無限可分，它們其實是由非常微小、肉眼不可見的“原子”組成。當芝諾一半一半地切分物體時，他分到原子的尺度就只能停止，不再能繼續(xù)分下去。原子物質存在的最小單位。

最早提出原子論的德謨克里特

在德謨克里特的眼里，世界由無數的原子組成。它們彼此分離，如小球一般在虛空中自由運動。當一顆原子撞到另一顆原子時會改變對方的軌跡，自己也會同時反彈。那便是世界萬物運動、狀態(tài)變化最基本的因果關系。

在希臘語中，“原子”的字面意思是“不可分割的”，也就是德謨克里特心目中的最基本粒子。這個2000多年前的概念一直延續(xù)至近代，成為道爾頓的現(xiàn)代化學和玻爾茲曼的統(tǒng)計力學的基礎。（無獨有偶，愛因斯坦在專利局通過統(tǒng)計運算發(fā)現(xiàn)布朗運動的規(guī)律，證實了原子的存在。那液體中的原子也就是花粉表面上無規(guī)律隨機運動背后的隱變量。）

然而，隨著湯姆森、盧瑟福的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代的原子已經不再是不可分割的基本單位。它由原子核和電子組成。如芝諾的推測，原子核也還可以繼續(xù)被分成質子、中子，乃至夸克。夸克和電子等才是德謨克里特想象中的不可再分的基本粒子。

德謨克里特原子模型所體現(xiàn)的邏輯觀念也經受了歷史的考驗。在牛頓精確的數學表述下，世界萬物的運動均有著內在的因果關系?；貞掌て账沟男拍睿绽乖谀闷苼雒媲靶?，物理世界中并不需要假設上帝的存在。

20世紀初，當普朗克遭遇黑體輻射的紫外災難時，他在絕望中提出了與德謨克里特一脈相承的思想：能量不能被無窮分割。它有著一個最小的、不再能分離的單位：能量子。

愛因斯坦還是在研究玻色那個奇怪的統(tǒng)計時開始意識到量子世界背后暗藏著更多的不同尋常 。

玻色提出微觀的粒子不可分辨，無論如何交換都不會改變整體的狀態(tài)。愛因斯坦推廣了這一想法，指出粒子在極低溫時會發(fā)生玻色-愛因斯坦凝聚：幾乎所有粒子會聚集在一起，處于同一個量子態(tài)，讓整個系統(tǒng)的熵趨于零。

在這個完全有序的狀態(tài)中，不再會有單獨的粒子，只剩下一個天衣無縫的整體。德謨克里特為了避免芝諾悖論而發(fā)明的原子概念突然消失了。處在玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)中的原子互相之間不再具備可分離性。

那時還沒有薛定諤方程，還沒有波函數的概念。也許與布朗運動類似，那只是一個宏觀的統(tǒng)計現(xiàn)象，背后還另有著隱藏的規(guī)律。

但薛定諤波函數的出現(xiàn)并沒能解決這個問題。恰恰相反，海森堡在計算氦原子光譜時發(fā)現(xiàn)氦原子的兩個電子共享著同一個波函數。那不是一個簡單的兩個電子在三維空間的分布函數，而是一個抽象的、處于六維希爾伯特空間中的函數。

電子是費米子，不遵從玻色統(tǒng)計，也就不會凝聚到同一個量子態(tài)中。因為泡利的不相容原理，兩個電子會自動地處于不同的量子態(tài)。然而，那希爾伯特空間的波函數卻也將氦原子的兩個電子緊密關聯(lián)。它們不再有自己獨立的幾率分布，它們的狀態(tài)、行為互為依存，息息相關。

這并不局限于氦原子。愛因斯坦在構造他的隱變量理論完畢后才發(fā)現(xiàn)他這個新理論中的波函數不具備可分離性。如果一個系統(tǒng)中包含有兩個子系統(tǒng)，它們的波函數會永遠地交織在一起，無論它們在現(xiàn)實中是否已經相隔天壤，雞犬不聞。它們只能和諧相處，步調一致，無法獨立地互為影響。這不再只是宏觀的統(tǒng)計現(xiàn)象。微觀、個體的量子過程可以不遵從可分離性，也在顛覆著因果關系的基礎。

顯然這很是荒唐。愛因斯坦無法化解，只好撤回了論文。在索爾維會議上，無論是德布羅意講演隱變量，還是玻恩、海森堡鼓吹量子力學已經大功告成，愛因斯坦皆冷眼旁觀緘口不言。他的內心里依然充滿了疑慮，不確定再過幾年會是誰能笑到最后。

來源：程鶚科學網博客

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文章來源：中科院高能所

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