在20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展中，愛因斯坦和玻爾是兩位最偉大的科學(xué)巨匠，他們都創(chuàng)造了現(xiàn)代物理學(xué)的輝煌，然而他們對現(xiàn)代物理學(xué)的基本問題卻有著自己獨特而深刻的見解，由此引起了長期的爭論，成為兩個最偉大的心靈之間的沖突。
兩位科學(xué)巨匠爭論的問題，主要不在于量子理論本身的內(nèi)容與形式，而在于量子理論的解釋方面，即關(guān)于作為量子理論基本特征的不連續(xù)性與統(tǒng)計性的說明方面。因此，爭論主要發(fā)生在1927年哥本哈根學(xué)派系統(tǒng)地提出量子力學(xué)解釋以后，但隨著量子理論的不斷成熟，兩位科學(xué)巨匠思想上的差別也不斷明顯。下面我們將按照爭論的不同階段和特點，講一講有關(guān)的故事。
第一階段（1927年以前）。量子力學(xué)逐步建立，量子力學(xué)的哥本哈根解釋還沒有提出，但對于量子理論中出現(xiàn)的、引人注目的不連續(xù)性與因果性問題，即涉及到是堅持還是放棄經(jīng)典物理學(xué)的信條，愛因斯坦與玻爾的態(tài)度卻有很大的不同，因而開始個別地、直接或間接地進(jìn)行了爭論。
愛因斯坦雖然提出了光的波粒二象性，但從根本上他不準(zhǔn)備放棄連續(xù)性和嚴(yán)格因果性，因為這些正是相對論的基本特征。他還堅持相信對于原子過程能夠給出連續(xù)的機(jī)制和直接的原因，而這種原因一旦被得到、被重復(fù)，現(xiàn)象即會無一例外地以決定論方式精確地出現(xiàn)。
而玻爾則認(rèn)為，這一理想并不總被滿足，由于觀察操作引起的擾動不能任意小，我們只能談?wù)撘环N“單元事件體”。例如電子從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的某一次躍遷，比這更細(xì)微的過程我們便無法認(rèn)識到。因此，對于經(jīng)典物理學(xué)的連續(xù)性和嚴(yán)格因果性必須放棄。
這場爭論的開始可以追溯到1920年春天，當(dāng)時玻爾和愛因斯坦這兩位科學(xué)巨匠在柏林會晤。雖然玻爾十分贊賞愛因斯坦對相對論的貢獻(xiàn)以及對普朗克定律的巧妙的推導(dǎo)，但是他難以接受愛因斯坦的光量子概念。因此在1920年4月他對柏林物理學(xué)會所作的關(guān)于《光譜理論的現(xiàn)狀及其在不久的將來的發(fā)展的各種可能性》的講演中，雖然這個題目同光子理論有密切關(guān)系，他卻僅僅在一個地方提到“輻射量子”的觀念，而且這還可能只是出于對也參加了這個報告會的愛因斯坦的尊重；玻爾立即補(bǔ)充道：“我將不在這里討論‘光量子假設(shè)’在干涉現(xiàn)象上所帶來的眾所周知的困難了，而輻射的經(jīng)典理論對于說明干涉現(xiàn)象卻是這樣合適?！?
在玻爾看來，經(jīng)典物理學(xué)和量子理論是不可調(diào)和的，雖然它們通過對應(yīng)原理以漸近的方式聯(lián)系著。而愛因斯坦則是一切物理現(xiàn)象應(yīng)該有一個統(tǒng)一的因果理論的堅定信仰者。從他在1919年6月寫給玻恩的一封信中，我們可以看出他心目中對玻爾的二分法是頗為反感的：“量子論給我的感覺同你的感覺非常相像。人們實在應(yīng)當(dāng)對它的成功感到羞愧，因為它是根據(jù)教會的信條‘不可讓你的左手知道右手所做的事’而獲得的?！?
在沒有會晤玻爾以前寫給玻恩的另一封信中，愛因斯坦寫道：“關(guān)于因果性的問題也使我很傷腦筋。光的量子吸收和發(fā)射是否有朝一日總可以在完全的因果性的意義下去理解呢，還是一定要留下一個統(tǒng)計性的尾巴？我必須承認(rèn)，在這里我缺乏判決的勇氣。無論如何，要放棄完全的因果性，我將是非常、非常難受的……”
1920年3月，愛因斯坦在給玻恩的信中又寫道：“我在空暇時總是從相對論的觀點來沉思量子論的問題。我認(rèn)為理論并不見得非得要放棄連續(xù)性不可。但是，迄今我未能把我的寶貝想法具體化，這個想法就是用過分確定條件下的微分方程來理解量子的結(jié)構(gòu)。”鑒于這一段話，我們就不難理解，為什么愛因斯坦后來對薛定諤的波動力學(xué)是那樣“熱情”。
1923年，康普頓效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，玻爾同愛因斯坦的爭論達(dá)到了頭一次高潮?？磥砜灯疹D效應(yīng)是絕對支持光的粒子說的，因此就要求玻爾一方相應(yīng)采取斷然的步驟。
為了回答這個挑戰(zhàn)，玻爾在1924年同克拉默斯和斯萊脫一起寫了著名的論文《輻射的量子理論》。這篇文章完全擯棄了愛因斯坦關(guān)于輻射的量子結(jié)構(gòu)的觀念，而是假設(shè)用抽象的幾率波來說明實在的電磁波，從而進(jìn)一步突出了不連續(xù)性與統(tǒng)計性的根本性質(zhì)。
該年4月，愛因斯坦在致玻恩的信中寫道：“玻爾關(guān)于輻射的意見使我很感興趣。但是，在有比迄今為止更為有力得多的反對嚴(yán)格的因果性的證據(jù)之前，我不想輕易放棄嚴(yán)格的因果性。我不能容忍這樣的想法：受到一束光照射的一個電子，會由它自己的自由意志來選擇它想要跳開的時刻和方向。如果是那樣，我寧可做個補(bǔ)鞋匠或者甚至賭館里的一名傭人，都比當(dāng)個物理學(xué)家強(qiáng)。不錯，我要給量子以明確形式的嘗試，一而再、再而三地失敗了，但是，我還是不想長遠(yuǎn)地放棄希望。”
第二階段（1927～1930年）。在玻爾提出對應(yīng)原理和哥本哈根學(xué)派提出波函數(shù)的幾率解釋的基礎(chǔ)上，1927年海森伯提出“測不準(zhǔn)關(guān)系”。同年9月，玻爾在意大利科摩市召開的紀(jì)念伏打逝世100周年的國際物理會議上發(fā)表了題為《量子公設(shè)和原子理論的最近發(fā)展》的講演，提出著名的“互補(bǔ)原理”，進(jìn)一步引起了學(xué)術(shù)界的巨大震動。
互補(bǔ)原理認(rèn)為“微粒和波的概念是互相補(bǔ)充的，同時又是互相矛盾的，它們是運(yùn)動過程中互補(bǔ)圖像?！辈柼貏e指出，觀察微觀現(xiàn)象的特殊性，由于微觀客體中最小作用量子h要起重要作用，因此微觀客體和測量儀器之間的相互作用是不能忽略的。這種相互作用在原則上是不可控制的，是量子現(xiàn)象不可分割的組成部分。這種不可控制的相互作用的數(shù)學(xué)表示就是測不準(zhǔn)關(guān)系。由此決定了量子力學(xué)的規(guī)律只能是幾率性的；為了描述微觀客體，必須拋棄決定性的因果原理；而量子力學(xué)精確地描寫了單個粒子體系狀態(tài)，它是完備的。
一個月以后，在布魯塞爾舉行了第五屆索爾維物理學(xué)會議。10月24日早晨，在一種滿懷期望的心情中，全世界的物理學(xué)權(quán)威們濟(jì)濟(jì)一堂，來對新量子論的意義交換意見?？颇h的大部分參加者出席了這次會議，此外參加者中引人注目地增加了愛因斯坦、埃倫費斯特和薛定諤。
玻爾在會上又一次闡述了他的互補(bǔ)原理，量子力學(xué)的哥本哈根解釋為當(dāng)時許多參加者所接受。但是它也受到來自各方面的批評，特別是愛因斯坦公開的批評。他在會上發(fā)言說：“我必須請大家原諒，因為我對量子力學(xué)并沒有深入的研究。雖然如此，我還是愿意談一些一般性的看法?！?
愛因斯坦認(rèn)為，波函數(shù)不是代表單個電子，而是代表分布在空間中的電子云。|ψ|2表示在被觀察的那一部分空間有電子云的一個粒子存在的幾率，而不是表示在所考慮時刻的那一瞬間一個特定的粒子存在于所給地方的幾率。因此，量子力學(xué)只能給出相對來說是無限多個基元過程的集合的知識，而不能完備地描述某些單個過程。
會上進(jìn)行的爭論，在會后的交談繼續(xù)進(jìn)行。會議參加者一般是在早餐以后就在旅館中見面了，愛因斯坦就開始描述一個理想實驗，那是他認(rèn)為可以通過分析坐標(biāo)和動量的測量來駁倒測不準(zhǔn)關(guān)系。于是玻爾、海森伯等就分析這個理想實驗，并在晚飯桌上由玻爾把分析的結(jié)果告訴愛因斯坦。這樣，愛因斯坦又提出了另一個理想實驗，但是在玻爾、海森伯這兩位擅長分析理想實驗的專家面前，愛因斯坦非但沒有駁倒測不準(zhǔn)關(guān)系，反而被哥本哈根學(xué)派抓到了不少把柄。當(dāng)然，愛因斯坦的挑戰(zhàn)還是促使哥本哈根學(xué)派去深入地研究量子力學(xué)的測量問題。
1930年，第六屆索爾維物理學(xué)會議又在布魯塞爾舉行。會議原定的主題是討論“物質(zhì)的磁性”?？墒牵瑫蠂@量子力學(xué)基礎(chǔ)的討論卻成了主要內(nèi)容。
在這次會議上，愛因斯坦提出了一個“光子箱”的理想實驗，試圖通過能量和時間可以同時精確測量，由此來駁倒能量與時間的測不準(zhǔn)關(guān)系。
設(shè)有一個用彈簧秤掛在固定底座上的不透明的箱子，箱子的一個壁上開了一個小孔，小孔上裝著一個用計時裝置來控制其啟閉的快門。通過掛在箱子下面的砝碼和裝在箱子側(cè)面的指針，可以測定整個箱子的總重量。愛因斯坦設(shè)想，快門從時刻t1打開到時刻t2關(guān)閉，中間經(jīng)歷的時間△t=t2-t1很短，以至只有單獨一個光子從箱子中放出。在t1之前和t2之后，都可以要多準(zhǔn)確就多準(zhǔn)確地測定箱子的重量，并從而根據(jù)質(zhì)量和能量的關(guān)系式E=mc2來推出箱子的發(fā)射光子以前和以后的能量之差。另一方面，按照計時裝置的讀數(shù)也可以要多準(zhǔn)確就多準(zhǔn)確地確定光子的發(fā)射時刻及其到達(dá)遠(yuǎn)處屏幕上的時刻。這樣，按照愛因斯坦的想法，關(guān)于能量和時間的測不準(zhǔn)關(guān)系似乎是不能成立的了。
第三階段（1930年以后）。量子力學(xué)理論體系取得了更加完美的形式，但有關(guān)量子理論的完備性的爭論仍繼續(xù)進(jìn)行著。1935年5月，愛因斯坦同兩位年輕的美國物理學(xué)家波多耳斯基和羅森在美國《物理評論》47期發(fā)表了題為《能認(rèn)為量子力學(xué)對物理實在的描述是完備的嗎？》的論文，在物理學(xué)界、哲學(xué)界引起了巨大的反響，玻爾則以同樣的題目撰文回答。
愛因斯坦等在論文中提出了物理理論體系完備性的判據(jù)與著名的以三位作者姓的頭一個字母簡稱的EPR悖論（這一悖論涉及到如何理解微觀世界實在的問題），認(rèn)真地論證了量子力學(xué)對物理實在描述的不完備性。
EPR在論文中，首先給物理實在與物理理論的完備性下了定義。如果一個物理理論對物理實在的描述是完備的，那么物理實在的每個要素都必須在其中有它的對應(yīng)量，即完備性判據(jù)。當(dāng)我們不對體系進(jìn)行任何干擾，卻能確定地預(yù)言某個物理量的值時，必定存在著一個物理實在的要素對應(yīng)于這個物理量，即實在性判據(jù)。
EPR在推理過程中還默認(rèn)了以下兩個假設(shè)：（1）定域性假設(shè)；如果測量時兩個體系不再相互作用，那么對第一個體系所能做的無論什么事，都不會使第二個體系發(fā)生任何實在的變化；（2）有效性假設(shè)：量子力學(xué)的統(tǒng)計預(yù)示（至少在本論證有關(guān)的范圍內(nèi)）已為經(jīng)驗所證實。接著，EPR介紹了物理實在的量子力學(xué)描述的一般特征后，認(rèn)為量子力學(xué)不滿足上述這些判據(jù)，所以是不完備的。
在論文的第二部分，EPR設(shè)計了一個理想實驗來論證：假設(shè)有兩個子系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)，當(dāng)t＜0時，它們是彼此分離的，狀態(tài)為已知；在0＜t＜T時，它們接近而發(fā)生相互作用；在t＞T以后，它們又彼此分離并停止相互作用。一方面由量子力學(xué)可知，當(dāng)子系統(tǒng)Ⅰ和Ⅱ分離后，據(jù)對子系統(tǒng)Ⅱ的動量（或位置）所作的測量，人們便可以在不對子系統(tǒng)Ⅰ進(jìn)行干擾的情況下確定地預(yù)示子系統(tǒng)Ⅰ的動量（或位置）。因此，根據(jù)EPR的實在性判據(jù)和定域性假設(shè)，子系統(tǒng)Ⅰ的動量與位置均對應(yīng)于物理實在的要素。另一方面，由于動量與位置是一對不對易的共軛變量，人們不可能對子系統(tǒng)Ⅱ的動量與位置同時進(jìn)行測量，從而不可能對子系統(tǒng)Ⅰ的動量與位置同時作出預(yù)示。這樣，我們就否定了上面二中擇一的兩個命題中的第二個命題，從而證明了其中第一個命題，即證明了量子力學(xué)并不為物理實在提供一個完備的描述。
玻爾認(rèn)為，EPR所說“不對體系進(jìn)行任何干擾”是不確切的。因為在測量過程中雖然沒有對子系統(tǒng)Ⅰ施加力學(xué)干擾，但由于作用量子的不可分性，微觀體系和測量儀器構(gòu)成了一個不可分割的整體。測量安排是確定一個物理量的必要條件，而對微觀體系未來行為所預(yù)示的可能類型正是由這些條件所決定的。
這樣，玻爾提出的量子現(xiàn)象的整體性特征，引起了人們對EPR所默認(rèn)的定域?qū)嵲谡摰膽岩?，意味著把世界看做在空間上分離的、獨立存在的各部分組成的看法不一定普遍成立，從而促使量子力學(xué)的完備性問題得到了系統(tǒng)的研究。
1949年，為紀(jì)念愛因斯坦70大壽，玻爾寫了題為《就原子物理學(xué)中的認(rèn)識論問題和愛因斯坦進(jìn)行的商榷》的論文，愛因斯坦則主要針對論文集《愛因斯坦：哲學(xué)家一科學(xué)家》中哥本哈根學(xué)派各篇論文的意見，寫了《對批評的回答》一文作為反批評。這兩篇論文，都帶有某種總結(jié)性質(zhì)，不過他們各自堅持自己的基本觀點不變。
1955年4月18日愛因斯坦逝世以后，玻爾心里也沒有忘記和愛因斯坦的論戰(zhàn)。據(jù)記載，玻爾在逝世（1962年11月18日）前一天的傍晚，在他的工作室的黑板上所畫的最后一個圖，便是愛因斯坦的光子箱的草圖。
對于這場持續(xù)了近40年的爭論，特別是EPR悖論的爭論，從基本觀點來說，誰也沒有說服誰。后來，有人想將上述EPR理想實驗推進(jìn)到真實實驗，以此來證明孰是孰非。50年代，英國物理學(xué)家玻姆在EPR悖論啟發(fā)下提出了隱參量的量子理論。60年代，又一位英國物理學(xué)家約翰·貝爾根據(jù)隱參量的量子理論從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出了一個關(guān)于遠(yuǎn)隔粒子量子關(guān)聯(lián)的定量不等式——貝爾不等式。由于貝爾的工作，人們才有可能設(shè)計真實實驗來檢驗EPR悖論的爭論的誰是誰非。
從1972年至1982年間，物理學(xué)家共完成了12個實驗，其中10個實驗的結(jié)果違反貝爾不等式而與量子力學(xué)的預(yù)言一致。但是，人們?nèi)绻敕菦Q定論的隨機(jī)性，便可導(dǎo)出貝爾不等式。所以，上述實驗只是說明了量子理論是超距關(guān)聯(lián)、非定域的，而沒有確定量子理論是決定論的還是非決定論的，也就是說微觀世界因果律是否成立還沒有蓋棺論定，EPR悖論的爭論還有待于人們進(jìn)行更深入的研究。
