摘要：“量子力学，百年诞辰快乐！”六月的一个夜晚，一位物理学家对着麦克风高声喊道。汉堡大西洋酒店（Hotel Atlantic）宽敞的宴会厅顿时爆发出阵阵欢呼和掌声。约300位量子物理学家从世界各地赶来，参加为期六天的会议开幕式，庆祝这一物理学史上最成功的理论诞生一

萨尔梅先生为 《Quanta》杂志拍摄

查理·伍德特约撰稿人

数百名物理学家（以及一些记者）来到量子力学的诞生地黑尔戈兰岛，努力探索他们对于现实的了解和未了解的知识。

1925年夏天，年轻的维尔纳·海森堡隐居于北海的黑尔戈兰岛，并带着第一个完整的量子力学理论重出江湖。一个世纪过去了，该理论的含义依然悬而未决。

“量子力学，百年诞辰快乐！”六月的一个夜晚，一位物理学家对着麦克风高声喊道。汉堡大西洋酒店（Hotel Atlantic）宽敞的宴会厅顿时爆发出阵阵欢呼和掌声。约300位量子物理学家从世界各地赶来，参加为期六天的会议开幕式，庆祝这一物理学史上最成功的理论诞生一百周年。与会者包括量子计算和量子密码学领域的著名先驱，以及四位诺贝尔奖得主。

“我感觉自己就像在伍德斯托克一样，”丹尼尔·伯加斯（打开新标签页）德国埃尔朗根-纽伦堡大学的教授告诉我，“这是我唯一一次有机会在一个地方看到所有这些。”

一百年前，23岁的博士后维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）因花粉症来到北海中一座荒芜、风雨交加的岛屿——黑尔戈兰岛。在那里，海森堡完成了一项计算，这项计算后来成为了量子力学的核心——一个关于原子和亚原子世界的全新理论。

该理论仍然很激进。

在量子力学出现之前，“经典”物理学理论直接研究世界的本质及其属性：比如行星的轨道和钟摆的速度。量子力学研究的是更抽象的东西：可能性。它预测我们观察到一个原子做这做那，或者出现在这里或那里的概率。它给人的印象是，粒子可以同时进行多种可能的行为，它们没有固定的现实性。因此，物理学家们在过去一个世纪里一直在努力思考这样的问题：什么是真实的？我们的现实从何而来？

汉堡宴会后的第二天早上，聚集在一起的物理学家（和少数记者）乘渡轮前往黑尔戈兰岛，讨论该理论诞生一个世纪后的现状。

我们一上船，讨论就开始了。等我坐到座位上时，恰斯拉夫·布鲁克纳（打开新标签页）和马库斯·阿恩特（打开新标签页）两位维也纳大学的教授正在深入探讨时空结构是否遵循与粒子相同的量子规则。阿丹·卡贝洛（打开新标签页）塞维利亚大学的教授很快也加入了进来。我看到一根手指激动地指向空中，有人惊呼道：“你是什么意思，我是什么意思？”

一艘高速渡轮将与会者从汉堡运送到北海的黑尔戈兰岛，这是一个相当艰难的五个小时的旅程。

当渡轮离开易北河的避风处，驶入波涛汹涌的北海时，卡贝洛举起了双手。“我们在这里欢庆百年，”他说，“但实际上一团糟。我们被告知了这个理论，但我们仍然不明白它的含义。”

突然间，我感到一阵恶心，于是停止了哲学思考，到船的二楼甲板上呼吸新鲜空气。

我双手紧握栏杆，凝视着浓雾，船身在波涛中上下起伏，徒劳地寻找着地平线那份稳定的感官输入。（渡轮运营商取消了当天晚些时候的班次。）最终，渡轮驶入了黑尔戈兰岛的港口，让许多胃口不太好的乘客松了一口气。

我们来到了一个截然不同的世界。这座德国岛屿上有近1400名居民，他们简朴的住房分布在海平面的“下地” （Unterland）和坐落在草木葱茏的高原边缘的“上地”（Oberland），高原上点缀着绵羊和自由翱翔的海鸟。正是在这片被分割的土地上，量子力学的种子在海森堡的脑海中萌芽。

黑尔戈兰岛Unterland的建筑物延伸至Oberland高原之下。

几十年来，越来越多的线索表明，物质和光违背了常识逻辑。在经典物理学中，物体的位置、速度和其他属性一直可以自由取值，因此，变化总是平滑连续地发生。但在1900年，对热物体发出的光的测量促使马克斯·普朗克提出，物质只能以离散的量获得和损失能量，能量的上升和下降呈微小的跳跃式变化。这首次暗示世界是“量子化的”，量子力学因此得名。五年后，阿尔伯特·爱因斯坦提出，光——一直以来都像连续波一样稳定地运动——也以粒子状的能量块形式存在。1913年，尼尔斯·玻尔提出，电子绕原子的轨道仅以一定的固定距离运行；当它们获得或损失能量时，它们会瞬间在轨道之间“跳跃”。但当时还没有人能够将这些奇特的事实整合成一个连贯的描述。

海森堡是玻尔的得意门生，他每天都在黑尔戈兰岛上散步、长途游泳，反复思考着这一切。他知道，玻尔的原子模型并不完全正确。它预测了氢原子发出的光的正确频率，但对更大、更复杂的原子却不起作用。

因此，海森堡做出了一个至今仍令人费解的概念性飞跃。在会议上，比尔·昂鲁（打开新标签页）这位留着连圣诞老人都会嫉妒的胡子的著名物理学家告诉我，他根本无法理解海森堡是如何得出他所计算的，并称他的路线“是个谜”。一天晚上，天体物理学家马特·奥多德在喝酒时（打开新标签页）PBS Space Time YouTube频道主持人娜塔莉·德莱昂开玩笑说，黑尔戈兰岛的荒野里或许隐藏着一些具有开阔视野功效的蘑菇。（打开新标签页）普林斯顿大学的她在演讲中指出，据报道海森堡曾使用可卡因来缓解过敏症状。

维尔纳·海森堡放弃了对原子可视化的尝试，转而专注于实验结果。这促使他提出了量子力学的第一个公式。

无论是什么激发了他的洞见，他的洞见都引发了物理学的巨变。他放弃了将原子视为一个小型太阳系，电子沿固定轨道运行的思维模式。他认为，如此精妙的微观机械装置超出了直接实验的范围，因此理论也不应该直接涉及它。在新的描述中，海森堡将研究范围限制在原子远处的仪器可测量的属性——即原子发出的光的颜色和强度。经过一整夜的计算，他找到了一种方法，将描述光的可测量属性的数值阵列重新组合，从而重现了玻尔对氢原子发光的预测。他没有参考氢原子或其假定部分的运动。他基于观察的框架更加抽象，因此更有可能适用于其他原子。

几十年后，海森堡写道，他在黑尔戈兰岛的顿悟时刻，激发了他在日出时攀登Unterland附近海边的灵感。他回忆道：“想到现在我必须探索大自然如此慷慨地展现在我面前的如此丰富的数学结构，我感到几乎晕眩不已。”

到了秋天，他的同事们在他的数学中发现了一些奇妙的东西。同年10月，海森堡的同行、昔日的竞争对手，25岁的沃尔夫冈·泡利写道，这项工作给了他“新的希望和新的人生乐趣”。资深物理学家马克斯·玻恩意识到，海森堡无意中发现了矩阵乘法的规则——这在20世纪20年代是高等数学。对于矩阵，乘法的顺序很重要。对于普通数字，3 × 4 和 4 × 3 的结果都是 12。但对于矩阵，A × B 的结果通常与B × A的结果不同。这种“非交换性”是海森堡在赫尔戈兰计算中的一个奇特特性，后来成为量子力学的核心。

11月，玻恩、海森堡和帕斯夸尔·约当（Pascual Jordan）撰写了后来被历史称为“三人论文”的论文，它充实了海森堡在《赫尔戈兰岛》一书中的工作，详细阐述了任何量子系统——无论是氢原子还是其他量子粒子的集合——的行为方式。量子力学由此诞生。

但矩阵究竟揭示了什么现实？海森堡抓住了一个令人惊讶的结论（打开新标签页）1927年，他提出了一个思想实验，表明你可以精确测量电子的位置或动量，但不能同时测量两者；其中一个属性总会存在一些不确定性。这一洞见如今被称为海森堡不确定性原理。这一局限性并非关于实验精度或创造力的陈述，而是一个不可避免的数学真理。如果量子力学描述的是现实，那么现实本身就必须从根本上建立在这样一种基础上：对于某些对象，某些属性有时无法存在。

在黑尔戈兰岛的高地，有一座纪念碑，纪念海森堡 1925 年的突破。

1926年，埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）发展了量子力学的另一个版本，后来被证明与海森堡矩阵等价。在薛定谔的版本中，像电子这样的点状粒子被重铸为在空间中延伸的波。一个方程描述了波如何随时间变化。薛定谔希望波能够真正描述一个在空间中散开的电子——一个可以被视觉化的真实物体——但玻恩很快意识到这个梦想过于简单，不可能实现。相反，玻恩证明了薛定谔方程中的波并非代表电子的当前现实，而是其潜在的现实：电子的可能位置。波的峰值表明了粒子可能出现的位置。

到20世纪30年代初，人们逐渐意识到，量子力学，无论是波动式还是矩阵式，都不涉及处于特定位置、沿特定方向运动的粒子。它预测了未来许多可能的结果，却对单一、固定的现实只字未提。反复进行实验，理论只能说明你测量到某个结果的概率是多少。这令人震惊地背离了物理学家被允许思考的范围——薛定谔和爱因斯坦从未接受过这种背离。海森堡回忆起爱因斯坦当时对他说：“你突然谈论的是我们对自然的了解，而不是自然真正在做什么。”

一个世纪过去了，物理学家们对此仍然感到不安。

“这是我们对现实最基本的描述，”马特·莱弗（打开新标签页）查普曼大学的物理学家在会议召开前一周通过 Zoom 告诉我，但“这并不是对现实的描述”。

无人质疑量子力学的有效性，而且其效果惊人。在赫尔戈兰岛，研究人员展示了一系列科技奇迹，这些奇迹都源于海森堡和薛定谔的量子数学。科罗拉多大学的叶军描述了能够精确到秒的原子钟，其计时精度可达宇宙年龄的六倍半，而更精确的“核”钟也即将问世。哈佛大学的米哈伊尔·卢金展示了原子以复杂的图案舞动，并以新颖的量子方式进行计算的画面。许多演讲都触及了此类量子计算机理论上所能实现的奇迹——这些计算对于任何由硅晶体管制成的计算机芯片来说都是不可能的。这些未来机器的动力将源于量子物体能够同时维持多种可能性的能力。

但这些可能性究竟是什么，以及它们如何产生我们所经历的看似单一的具体现实，是物理学家尚未解决的一个深奥难题。

神奇之处就在于测量的瞬间，因此这个谜题被称为测量问题。“测量问题是一个严肃的物理问题，”来自康科特大学的物理学家尼古拉斯·吉辛在关于黑尔戈兰岛的演讲中说道。“如果没有解决方案，量子理论就不是物理学。”

康科特大学的物理学家尼古拉斯·吉辛认为，除了典型的贝尔测试之外，更广泛的实验将有助于物理学家理解测量的本质。

卡罗尔·帕罗迪

量子物体本身的状态最好用量子态来描述，记为ψ（希腊字母psi）。这种状态是对物体所有可能状态的数学概括——向右移动、向左移动、指向上方、指向下方等等。薛定谔方程告诉我们ψ是如何时刻变化的。

当你测量物体时，ψ会“坍缩”，这意味着除了一种可能性之外，所有可能性都会消失。剩下的那个可能性，会从所有选项中随机出现，成为测量的结果。量子力学预测了该结果的可能性——例如，ψ可以告诉你，在特定位置探测到粒子的概率为22%。如果你反复进行实验和测量，大约100次中有22次你会在该位置找到粒子。你无法预测任何一次实验的结果。

令人尴尬的是，我们没有一个故事可以告诉人们现实是什么。

新墨西哥大学卡尔顿洞穴学院

但这种对量子力学的“正统”表述却引出了一些深刻的问题。ψ究竟是什么？它描述了所有的可能性。它是存在于世间的物理实体吗？还是它只是我们对未来不完整认知的数学表示，某种只存在于黑板和脑海中的东西？当一个测量装置出现时——它本身和其他一切一样，也由量子粒子构成——为什么它会以这种新的、相当非量子的方式运行，神秘地将ψ坍缩成一个单一的经典结果？虽然海森堡和玻尔对他们理论的哲学理念深感兴趣，但他们最终还是放弃了这些问题。或者至少，如果ψ能做得更好，他们很乐意放弃任何与经典世界稍有相似之处的东西。海森堡写道：“原子或基本粒子并不像日常生活中的现象那样真实。它们构成了一个充满潜能或可能性的世界，而不是一个由事物或事实组成的世界。”据说玻尔曾说过：“量子世界并不存在。只有抽象的量子力学描述。” 玻尔、海森堡及其同僚们对正统量子力学描述所持的观念通常被称为哥本哈根诠释，因为玻尔的学术中心是丹麦哥本哈根大学。

这种思考量子世界的方式，是大多数物理学家在学校里接触到的第一个概念，至今仍是最常见的。在赫尔戈兰会议召开前，《自然》杂志对1000多名物理学家进行了调查。（打开新标签页）并发现 36% 的人赞同哥本哈根诠释的某个版本——这使得它比任何竞争对手都更受欢迎

来源：人工智能学家