這不關月亮的事

到了1927年2月，海森堡的樂觀態度漸退。6個月前，一到達丹麥首都，他和玻爾就開始拼搏，要把量子力學理解明白。海森堡十分滿意于由數學形式體系來甩出各種概率，但玻爾則堅持認為物理學應該限于用日常話語來表達。他后來詳細說明道，“說‘實驗’這個詞的時候，我們指的是可以告訴別人我們都做了些什么的那種狀態……所以，……所有觀察結果必須用毫不含糊的語言來表達”，還下結論道，“所有證據都必須用經典物理學的術語表達”[27]。海森堡反駁道：“當我們超越了這種經典物理學理論的范圍時，我們必須意識到，我們的詞匯不適用了?！?a id="w028">[28]

兩人在另一點上也是觀點相左。海森堡專一堅守粒子的概念，而玻爾則想把薛定諤的波理論也包括進來。頭年夏天，海森堡曾試圖與薛定諤討論這件事，卻被威廉·維恩斥責一頓，“你必須明白，我們現在已經不再跟所有那些有關量子躍遷的胡言亂語有關聯了”[29]，這位較年長者在薛定諤甚至能夠開始回答之前就對一臉驚愕的海森堡這樣說?，F在玻爾決定邀請薛定諤到哥本哈根來面對面地對他們互相接不上茬的解讀進行討論。薛定諤9月份來訪時病倒了，受到玻爾妻子的護理，玻爾則坐在他的床邊，催促他反悔并承認他的理論是錯誤的。這沒起作用，薛定諤離開了，一致意見沒達成。接下來的幾個月里，海森堡和玻爾繼續日復一日地進行他們的討論，經常直到深夜，氣氛越來越凝重。有時候經過了好幾個小時的討論，兩人都覺得自己要接近崩潰了，海森堡會試著放飛一下頭腦，到附近的費雷德公園一邊散步一邊一遍又一遍地問他自己：“大自然真的有可能像它看起來的那樣荒誕嗎……？”[30]

最后，玻爾決定，他需要休整一下，就出發去挪威過四個星期的滑雪度假。留在家里的海森堡接著思考電子路徑的問題，卻再一次撞上“不可逾越的障礙”?！拔议_始懷疑，我們是不是一開始就問錯了問題。”[31]他后來回憶道。忽然，海森堡回想起愛因斯坦在反駁他研究量子力學的第一種方式時所提出的一個論點：“試圖把一個理論僅僅建立于可觀察的體量上是相當錯誤的?，F實中恰恰相反的情況在發生著。是理論決定了我們能觀察到什么?！?a id="w032">[32]愛因斯坦的論點就是哲學家們所知道的“杜恒-奎因論題”：為了從一項觀察中提取實驗結果，有必要懂得在測量過程中會發生什么，以及精確了解我們的測量裝置和我們感官的性能。“你必須承認，觀察是一個非常復雜的過程……只有理論，也就是自然法則的知識，才使我們能夠從自己的感官印象中推斷出實質性的現象。”[33]海森堡記得愛因斯坦是這么爭執的。海森堡想到，如果理論決定了我們能觀察到什么，那它是不是也決定了我們不能觀察到什么？

午夜都過了很久，海森堡跑到幽暗的費雷德公園散步，就在那里，他得出了那個想法，它后來會演變為他那著名的“測不準原理”。知道一個粒子的路徑就意味著可以既知道該粒子的位置，也知道在不同時間點上它的方向、它的速度。但是當實驗員在云室中觀察一個電子的時候，他不觀察路徑本身，而是觀察一連串具體位置上的互動情況。由于指示粒子位置的水滴要比電子本身大得多，所以這并不一定意味著位置和動量兩者都能被精確地知曉。

把這個想法與他的矩陣形式體系進行核對后，海森堡發現事實上不允許同時準確確定位置和動量。在海森堡版本的量子力學中，矩陣代表著對可觀察到的量進行測量，例如位置或動量。然而，兩個矩陣的乘積則要根據它們相乘時的順序而定。這一奇怪的法則意味著，得到的結果會因為哪個量先被測量而不同：確定一個粒子的位置，然后再測量它的動量，所得到的結果會與按相反順序來測量得到的結果不一樣。10月份收到的沃爾夫岡·泡利的來信中講道“人可以從動量角度來觀察世界，也可以從位置角度來觀察世界，但如果同時用這兩種角度看世界，那就迷失掉了”[34]，現在海森堡能夠把它再現出來了。其結果就是，粒子的確切位置，和它的精確動量或者說速度，不能被同時測量到，永遠都有一樣是不確定的。要么位置在哪不知道，要么動量是什么不知道，要么這兩種量都知道了，但精確度有限。

海森堡覺得這相當于給自己平了反：如果一個粒子的位置和速度不能同時被確定，那么談論原子內部的電子路徑就沒有意義。人要么不知道那個電子在哪里，要么不知道那個電子朝哪個方向移動。有了這一認識，海森堡覺得他找到了因果關系崩潰的源頭。他寫道，“因果律的錯誤在于，‘知道了現在就可以預測未來’這句話不是結論，而是假設”，“甚至從原則上來說，我們對現在也無法了解其一切細節……由此可知，量子力學宣告了因果律最終無效”[35]。

海森堡測不準原理的示意圖：帶有確定動量的平波隊列在擊中帶有一個窄孔的障礙物后向所有可能的方向分散開去。

當玻爾從滑雪場回到哥本哈根時，帶回來的只有驚愕。他立刻從海森堡的論據中找出了一個錯誤，并叫他把論文重寫一遍。這時海森堡實實在在地哭出了眼淚[36]。玻爾看到的是，海森堡的測不準原理，不但不能證明量子波的想法無效，事實上表現了波的典型行為。長長的平波隊列有明確的動量，但是當這些波形遭遇到帶有一個小孔的障礙物，它們就在它后面產生出一個圓形波，向所有可能的方向分散出去。將這個波封閉在一個狹窄距離內，以便確定它的位置，就導致動量四散開來。玻爾于是把這種粒子-波的二元性看作是量子力學的核心要素，并拿出了一個他自己的解釋：互補性。

很快互補性就變成了哥本哈根派量子力學要領的核心標記。但是互補性到底是什么呢？訪問莫斯科的時候，玻爾在東道主辦公室的黑板上潦草地寫下了他這一想法的要義：“對立雙方，粒子或波，不是互相抵觸的，反而是互相補足的。”[37]在玻爾看來，把物質理解為粒子或波的這兩種觀點都有自己的道理，而且雖然它們看起來互相抵觸，但每一方都會揭示出關鍵信息。玻爾解釋道，“在不同實驗條件下取得的證據不能只放在同一個場景中去領悟……只有完整湊齊各種現象才能窮盡觀察對象可能攜帶的信息”[38]，而且“研究互補現象要求在實驗的安排上有相互排他性”[39]。

海森堡固執地拒絕改動他的論文。他現在已經有了一個信念，自己的職業前途現在系于將薛定諤的波動力學駁倒，而且他確信，他需要迅速發表他的論文，以便能收到另一份工作邀請。海森堡寫信給泡利說，“我陷入維護矩陣反對波的斗爭中去了”[40]，這是一場“與玻爾的爭吵”[41]，到了這個時候，海森堡和玻爾的爭論升級成了個人沖突。最后海森堡作了讓步，他對他的“不確定性”論文進行了補充，寫了一個后記，承認“最近玻爾的調查研究已經導致……本項研究試圖進行的……這項分析得到了本質上的深化和敏銳化”[42]……

正是海森堡與玻爾之間的這一痛苦妥協，后來成為人們所知的“哥本哈根詮釋”的核心內容。這一詮釋至少在接下來50年間將主導科學家的思想，以及未來幾代物理學家要學習的教科書的講解內容。它將為物理學家提供一個工作框架，用以處理他們在原子、核子以及固態物理中碰到的量子力學問題，但它是有代價的。在哥本哈根派的思路中，測量工作起著關鍵作用。根據海森堡的說法，“所觀察到的每一樣東西都是無數可能性中的一個選擇”[43]，而且只有最終觀察到的東西才是“真實”的。正是這個“現實真相是由觀察行為產生出來”的說法，后來引燃了惠勒關于“我們自己創造了宇宙”的猜想。

回到用好萊塢電影情節來解釋現實世界上來，互補性現象可以用單獨一卷電影膠卷上有幾部不同的影片來說明。由于光源的顏色或放映的角度不同，也許銀幕上放映出來的不是《育嬰奇譚》，而是1985年的科幻大片《回到未來》，讓觀影者很是摸不著頭腦，他不知道放進放映機里的到底是什么膠卷。

盡管互補性這個概念很有意思，它的實際運行機制卻仍然有些說不清。玻爾在不同時期，至少持有過兩種不同版本的互補性理論。其中一個講的是不同映像或銀幕現實之間的關系，相當于粒子與帶有明確動量的平波隊列之間的關系。另一個描述的是銀幕現實與它的內在本質，即放映機現實之間的關系，后者是薛定諤的波動方程描述的內容。[44]

在這一點上物理學家們應該問過他們自己，是什么東西構成了這些互為補充的觀察結果呢。這些互相矛盾的體驗下面是什么樣的基礎真相？其實在科學史上，不論什么時候當物理學家發現了一個更具本質性的理論，可以有更大的應用范圍時，他們都有辦法使原有的雖然成功但只是在一定條件下有效的舊理論，被看作是對現實真相有了新穎概念的新理論的一種極限個案。一個著名的例子就是牛頓物理學，它可以被當作由愛因斯坦的狹義相對論的低能量極限而求出。但對量子物理學卻沒有這樣做。與經典物理學不同，量子物理學有能力描述原子和亞原子現象。然而，這位哥本哈根物理學家沒有把經典物理學看作更具本質性的量子現實或放映機現實中的一個極端個案，而是把量子力學看作一個工具，用來獲取從銀幕上體驗到的有關經典事物的知識。新開創了量子潮流的那些頭面人物沒有一頭扎下去，對量子測量背后隱藏的新現實進行探索。他們把量子革命留在了未完成狀態。哥本哈根詮釋反而從妥協演變成了成規教條。

愛因斯坦對此自然不滿意：“玻爾-海森堡的息事寧人哲學，或者叫宗教？——籌劃得太巧妙了，眼下它給真誠相信的人提供了一個舒適的枕頭，輕易都別想把他喚醒?！?a id="w045">[45]他不僅做出這樣的評價，還添上一句：“月亮只是在你看向它的時候才存在的嗎？[46]……我所信任的對現實進行解釋的模型仍然是能反映事物本身可能性的那種，而不是僅僅能反映它們有多大概率發生的那種。”[47] H. 迪特爾·蔡赫后來的評價更加尖銳：“這是個十分有創意的實用策略，能避免許多問題，但是，從此以后在微觀物理學中，就再也不允許探索以獨特方式描述大自然了……只有為數不多的人敢提出反對意見說：‘這個皇帝沒穿衣服?！?a id="w048">[48]