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(jīng)歷，顯然印象深刻。他記得，無論他如何極力地調(diào)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(fēng)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(zāi)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(shè)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(fēng)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(fēng)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?shù)囊蚬P(guān)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(fēng)正好吹過。鳥或風(fēng)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(jié)果才能構(gòu)成實實在在、可驗證的因果關(guān)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(shù)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(shù)。他的本意就是要強調(diào)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(yīng)該瞬時地影響到其它地點的波函數(shù)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(jīng)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(jié)、提升為系統(tǒng)的電磁學(xué)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(xué)里學(xué)習(xí)了電磁學(xué)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(jīng)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(yīng)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(fù)一年地公轉(zhuǎn)，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(guān)系。面對同時代的萊布尼茲（Gottfried Leibniz）等人的反復(fù)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(xué)說在太陽系運動的描述、預(yù)測中久經(jīng)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(xué)理論，將光速是信息傳播速度的最高極限提升為物理學(xué)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(jīng)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(zhì)量的存在發(fā)生了彎曲，改變了地球的行徑。地球公轉(zhuǎn)的直接原因不是遙遠的太陽，而是地球所在當?shù)氐目臻g曲率。

于是，愛因斯坦再一次打破超距作用的迷霧，恢復(fù)了具備局域性的因果關(guān)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(fù)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(guān)重要。

當實驗臺上的指南針突然搖動時，科學(xué)家知道那是因為旁邊的一根導(dǎo)線正好有電流經(jīng)過。那又是因為導(dǎo)線連接著電池，其開關(guān)剛剛被打開。那開關(guān)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(xué)家能夠解釋指南針搖動的邏輯基礎(chǔ)。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(jié)果就不可能有確定的解釋?？茖W(xué)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(shù)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(lǐng)。

在早先的十年里，愛因斯坦曾經(jīng)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(jié)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(guān)系的完整。那便是量子力學(xué)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(guān)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(fēng)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(guān)系，微風(fēng)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(guān)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(jīng)常導(dǎo)致邏輯上的矛盾，因此被歸為哲學(xué)思辯中的悖論。

據(jù)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(yīng)，勒皮普斯的學(xué)生德謨克利特（Democritus）干脆提出一個新的假設(shè)：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(zhì)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(shù)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(guān)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(xué)和玻爾茲曼的統(tǒng)計力學(xué)的基礎(chǔ)。（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(jīng)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(zhì)子、中子，乃至夸克?？淇撕碗娮拥炔攀堑轮兛死锾叵胂笾械牟豢稍俜值幕玖Ｗ印?br style="max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important;">

德謨克里特原子模型所體現(xiàn)的邏輯觀念也經(jīng)受了歷史的考驗。在牛頓精確的數(shù)學(xué)表述下，世界萬物的運動均有著內(nèi)在的因果關(guān)系?；貞?yīng)著勒皮普斯的信念，拉普拉斯在拿破侖面前宣布，物理世界中并不需要假設(shè)上帝的存在。

20世紀初，當普朗克遭遇黑體輻射的紫外災(zāi)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(shù)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(shù)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(shù)。那不是一個簡單的兩個電子在三維空間的分布函數(shù)，而是一個抽象的、處于六維希爾伯特空間中的函數(shù)。

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(shù)卻也將氦原子的兩個電子緊密關(guān)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(guān)。

這并不局限于氦原子。愛因斯坦在構(gòu)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(shù)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(shù)會永遠地交織在一起，無論它們在現(xiàn)實中是否已經(jīng)相隔天壤，雞犬不聞。它們只能和諧相處，步調(diào)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(guān)系的基礎(chǔ)。

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(xué)已經(jīng)大功告成，愛因斯坦皆冷眼旁觀緘口不言。他的內(nèi)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(xué)網(wǎng)博客

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文章來源：中科院高能所

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