这不关月亮的事

到了1927年2月，海森堡的乐观态度渐退。6个月前，一到达丹麦首都，他和玻尔就开始拼搏，要把量子力学理解明白。海森堡十分满意于由数学形式体系来甩出各种概率，但玻尔则坚持认为物理学应该限于用日常话语来表达。他后来详细说明道，“说‘实验’这个词的时候，我们指的是可以告诉别人我们都做了些什么的那种状态……所以，……所有观察结果必须用毫不含糊的语言来表达”，还下结论道，“所有证据都必须用经典物理学的术语表达”[27]。海森堡反驳道：“当我们超越了这种经典物理学理论的范围时，我们必须意识到，我们的词汇不适用了。”[28]

两人在另一点上也是观点相左。海森堡专一坚守粒子的概念，而玻尔则想把薛定谔的波理论也包括进来。头年夏天，海森堡曾试图与薛定谔讨论这件事，却被威廉·维恩斥责一顿，“你必须明白，我们现在已经不再跟所有那些有关量子跃迁的胡言乱语有关联了”[29]，这位较年长者在薛定谔甚至能够开始回答之前就对一脸惊愕的海森堡这样说。现在玻尔决定邀请薛定谔到哥本哈根来面对面地对他们互相接不上茬的解读进行讨论。薛定谔9月份来访时病倒了，受到玻尔妻子的护理，玻尔则坐在他的床边，催促他反悔并承认他的理论是错误的。这没起作用，薛定谔离开了，一致意见没达成。接下来的几个月里，海森堡和玻尔继续日复一日地进行他们的讨论，经常直到深夜，气氛越来越凝重。有时候经过了好几个小时的讨论，两人都觉得自己要接近崩溃了，海森堡会试着放飞一下头脑，到附近的费雷德公园一边散步一边一遍又一遍地问他自己：“大自然真的有可能像它看起来的那样荒诞吗……？”[30]

最后，玻尔决定，他需要休整一下，就出发去挪威过四个星期的滑雪度假。留在家里的海森堡接着思考电子路径的问题，却再一次撞上“不可逾越的障碍”。“我开始怀疑，我们是不是一开始就问错了问题。”[31]他后来回忆道。忽然，海森堡回想起爱因斯坦在反驳他研究量子力学的第一种方式时所提出的一个论点：“试图把一个理论仅仅建立于可观察的体量上是相当错误的。现实中恰恰相反的情况在发生着。是理论决定了我们能观察到什么。”[32]爱因斯坦的论点就是哲学家们所知道的“杜恒-奎因论题”：为了从一项观察中提取实验结果，有必要懂得在测量过程中会发生什么，以及精确了解我们的测量装置和我们感官的性能。“你必须承认，观察是一个非常复杂的过程……只有理论，也就是自然法则的知识，才使我们能够从自己的感官印象中推断出实质性的现象。”[33]海森堡记得爱因斯坦是这么争执的。海森堡想到，如果理论决定了我们能观察到什么，那它是不是也决定了我们不能观察到什么？

午夜都过了很久，海森堡跑到幽暗的费雷德公园散步，就在那里，他得出了那个想法，它后来会演变为他那著名的“测不准原理”。知道一个粒子的路径就意味着可以既知道该粒子的位置，也知道在不同时间点上它的方向、它的速度。但是当实验员在云室中观察一个电子的时候，他不观察路径本身，而是观察一连串具体位置上的互动情况。由于指示粒子位置的水滴要比电子本身大得多，所以这并不一定意味着位置和动量两者都能被精确地知晓。

把这个想法与他的矩阵形式体系进行核对后，海森堡发现事实上不允许同时准确确定位置和动量。在海森堡版本的量子力学中，矩阵代表着对可观察到的量进行测量，例如位置或动量。然而，两个矩阵的乘积则要根据它们相乘时的顺序而定。这一奇怪的法则意味着，得到的结果会因为哪个量先被测量而不同：确定一个粒子的位置，然后再测量它的动量，所得到的结果会与按相反顺序来测量得到的结果不一样。10月份收到的沃尔夫冈·泡利的来信中讲道“人可以从动量角度来观察世界，也可以从位置角度来观察世界，但如果同时用这两种角度看世界，那就迷失掉了”[34]，现在海森堡能够把它再现出来了。其结果就是，粒子的确切位置，和它的精确动量或者说速度，不能被同时测量到，永远都有一样是不确定的。要么位置在哪不知道，要么动量是什么不知道，要么这两种量都知道了，但精确度有限。

海森堡觉得这相当于给自己平了反：如果一个粒子的位置和速度不能同时被确定，那么谈论原子内部的电子路径就没有意义。人要么不知道那个电子在哪里，要么不知道那个电子朝哪个方向移动。有了这一认识，海森堡觉得他找到了因果关系崩溃的源头。他写道，“因果律的错误在于，‘知道了现在就可以预测未来’这句话不是结论，而是假设”，“甚至从原则上来说，我们对现在也无法了解其一切细节……由此可知，量子力学宣告了因果律最终无效”[35]。

海森堡测不准原理的示意图：带有确定动量的平波队列在击中带有一个窄孔的障碍物后向所有可能的方向分散开去。

当玻尔从滑雪场回到哥本哈根时，带回来的只有惊愕。他立刻从海森堡的论据中找出了一个错误，并叫他把论文重写一遍。这时海森堡实实在在地哭出了眼泪[36]。玻尔看到的是，海森堡的测不准原理，不但不能证明量子波的想法无效，事实上表现了波的典型行为。长长的平波队列有明确的动量，但是当这些波形遭遇到带有一个小孔的障碍物，它们就在它后面产生出一个圆形波，向所有可能的方向分散出去。将这个波封闭在一个狭窄距离内，以便确定它的位置，就导致动量四散开来。玻尔于是把这种粒子-波的二元性看作是量子力学的核心要素，并拿出了一个他自己的解释：互补性。

很快互补性就变成了哥本哈根派量子力学要领的核心标记。但是互补性到底是什么呢？访问莫斯科的时候，玻尔在东道主办公室的黑板上潦草地写下了他这一想法的要义：“对立双方，粒子或波，不是互相抵触的，反而是互相补足的。”[37]在玻尔看来，把物质理解为粒子或波的这两种观点都有自己的道理，而且虽然它们看起来互相抵触，但每一方都会揭示出关键信息。玻尔解释道，“在不同实验条件下取得的证据不能只放在同一个场景中去领悟……只有完整凑齐各种现象才能穷尽观察对象可能携带的信息”[38]，而且“研究互补现象要求在实验的安排上有相互排他性”[39]。

海森堡固执地拒绝改动他的论文。他现在已经有了一个信念，自己的职业前途现在系于将薛定谔的波动力学驳倒，而且他确信，他需要迅速发表他的论文，以便能收到另一份工作邀请。海森堡写信给泡利说，“我陷入维护矩阵反对波的斗争中去了”[40]，这是一场“与玻尔的争吵”[41]，到了这个时候，海森堡和玻尔的争论升级成了个人冲突。最后海森堡作了让步，他对他的“不确定性”论文进行了补充，写了一个后记，承认“最近玻尔的调查研究已经导致……本项研究试图进行的……这项分析得到了本质上的深化和敏锐化”[42]……

正是海森堡与玻尔之间的这一痛苦妥协，后来成为人们所知的“哥本哈根诠释”的核心内容。这一诠释至少在接下来50年间将主导科学家的思想，以及未来几代物理学家要学习的教科书的讲解内容。它将为物理学家提供一个工作框架，用以处理他们在原子、核子以及固态物理中碰到的量子力学问题，但它是有代价的。在哥本哈根派的思路中，测量工作起着关键作用。根据海森堡的说法，“所观察到的每一样东西都是无数可能性中的一个选择”[43]，而且只有最终观察到的东西才是“真实”的。正是这个“现实真相是由观察行为产生出来”的说法，后来引燃了惠勒关于“我们自己创造了宇宙”的猜想。

回到用好莱坞电影情节来解释现实世界上来，互补性现象可以用单独一卷电影胶卷上有几部不同的影片来说明。由于光源的颜色或放映的角度不同，也许银幕上放映出来的不是《育婴奇谭》，而是1985年的科幻大片《回到未来》，让观影者很是摸不着头脑，他不知道放进放映机里的到底是什么胶卷。

尽管互补性这个概念很有意思，它的实际运行机制却仍然有些说不清。玻尔在不同时期，至少持有过两种不同版本的互补性理论。其中一个讲的是不同映像或银幕现实之间的关系，相当于粒子与带有明确动量的平波队列之间的关系。另一个描述的是银幕现实与它的内在本质，即放映机现实之间的关系，后者是薛定谔的波动方程描述的内容。[44]

在这一点上物理学家们应该问过他们自己，是什么东西构成了这些互为补充的观察结果呢。这些互相矛盾的体验下面是什么样的基础真相？其实在科学史上，不论什么时候当物理学家发现了一个更具本质性的理论，可以有更大的应用范围时，他们都有办法使原有的虽然成功但只是在一定条件下有效的旧理论，被看作是对现实真相有了新颖概念的新理论的一种极限个案。一个著名的例子就是牛顿物理学，它可以被当作由爱因斯坦的狭义相对论的低能量极限而求出。但对量子物理学却没有这样做。与经典物理学不同，量子物理学有能力描述原子和亚原子现象。然而，这位哥本哈根物理学家没有把经典物理学看作更具本质性的量子现实或放映机现实中的一个极端个案，而是把量子力学看作一个工具，用来获取从银幕上体验到的有关经典事物的知识。新开创了量子潮流的那些头面人物没有一头扎下去，对量子测量背后隐藏的新现实进行探索。他们把量子革命留在了未完成状态。哥本哈根诠释反而从妥协演变成了成规教条。

爱因斯坦对此自然不满意：“玻尔-海森堡的息事宁人哲学，或者叫宗教？——筹划得太巧妙了，眼下它给真诚相信的人提供了一个舒适的枕头，轻易都别想把他唤醒。”[45]他不仅做出这样的评价，还添上一句：“月亮只是在你看向它的时候才存在的吗？[46]……我所信任的对现实进行解释的模型仍然是能反映事物本身可能性的那种，而不是仅仅能反映它们有多大概率发生的那种。”[47] H. 迪特尔·蔡赫后来的评价更加尖锐：“这是个十分有创意的实用策略，能避免许多问题，但是，从此以后在微观物理学中，就再也不允许探索以独特方式描述大自然了……只有为数不多的人敢提出反对意见说：‘这个皇帝没穿衣服。’”[48]