清代天文学家李锐......
回眸｜玻尔与爱因斯坦的世纪之争给量子力学带来了怎样的影响？
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2024-11-12 00:14:08 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
137年前的今天（1885年10月7日），哥本哈根学派创始人、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔出生。在量子力学诞生之初，他曾和爱因斯坦有过一场世纪之争，涉及量子力学的理论基础及哲学思想方面。为何这两位物理学大师在量子理论上持有相反的观点？他们的争论给量子力学的发展带来了怎样的影响？北京量子信息科学研究院研究员常凯曾在第674期首都科学讲堂中作了《改变世界的量子科技》讲座，对这场世纪之争进行了详细的科普，快来一起学习吧！
玻尔与爱因斯坦观点相悖
量子力学带来的新世界观冲击着19世纪以来形成的哲学体系：世界的本质是概率的，而非决定论的；在观测前，被观测物的状态是不确定的，通过观测才能被确定；物理过程是非定域的，相隔很远的物体也可以通过量子纠缠瞬间发生相互作用。这些就是以玻尔为代表的哥本哈根诠释派的观点。
而反哥本哈根诠释派的代表人物爱因斯坦认为，“上帝是不掷骰子的！”“难道当我不看月亮的时候，它就不存在了吗？”量子纠缠是“鬼魅般的超距作用”！
玻尔和爱因斯坦在辩论
1935年，爱因斯坦、波多尔斯基、罗森共同发表论文，提出“EPR佯谬”，在此基础上发展出了隐变量理论。1964年，有一位名叫贝尔的工程师提出可以通过一个不等式来检验隐变量是不是真正存在。严格检验“隐变量”是否存在的数学标准是，在一个量子系统中，若四个概率之间有如下关系：
则隐变量可能存在。否则，说明隐变量不存在，量子态的本质就是概率的。
由世纪之争引发的第一次量子科技革命
虽然以当时的实验技术来说，人们无法真正用它来验证理论的哲学争辩，但这并不影响科学家们在量子理论的指导下做出新的发明创造，这就直接引发了从20世纪中叶开始的第一次量子科技革命。
其中，最具代表性的事件就是1947年世界上第一个半导体晶体管诞生。半导体的性质必须通过从量子力学导出的能带理论才能够解释。接下来的几十年间，半导体技术发展迅猛，从集成电路的诞生到英特尔第一个微处理器4004包含2250个晶体管，再到华为麒麟9000处理器包括153亿个晶体管……可以说，半导体技术是信息时代的基础。
世界上第一个半导体晶体管（1947年）
另外，在量子力学建立之后，人们才知道，原来磁性是一种宏观量子现象。电子自旋产生磁矩，一个电子相当于一个小磁针，材料中大量电子磁矩沿同一方向排列，产生宏观磁性。量子力学的原理决定了电子磁矩的分布。所以我们发明了像硬盘这样能够大量存储数据的介质，也就奠定了大数据时代的物质基础。
除此之外，还有激光、核磁共振、超导等，都是第一次量子科技革命中所产生的革命性的应用，可以说量子科技在我们的生活中已经无处不在。
世纪之争结局尘埃落定
前面提过，贝尔提出不等式后，还没能真正做成裁判，这个局面到20世纪70年代终于被打破。1972年，S. J.弗里德曼和J. F.克劳泽进行了第一个贝尔不等式验证实验，结果支持量子力学。30多年来，众多实验结果均支持量子力学，而与隐变量理论不符。2015年，荷兰代尔夫特理工大学R.韩森领导的小组进行了几乎无漏洞的贝尔不等式验证，基本宣告了隐变量理论的失败。
虽然爱因斯坦最终在这场世纪之辩中落败，但他的思考启发了后人，间接导致了贝尔不等式的产生，进而产生了基于贝尔不等式的“贝尔态”，从而为现代量子计算与量子通信打下了基础。爱因斯坦的思考虽不正确，但绝不是毫无价值，科学研究不怕错，只怕不思考、不实践。
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