科學哲學答問（二）
90年前，愛因斯坦與海森堡的一場對話，點出了量子力學引來的哲學困擾。
撰文／高涌泉
關於量子力學帶給物理學家的哲學困擾，我相信愛因斯坦與海森堡在1926年的一場對話是最生動的解說。以下簡要介紹這段對談，不過得先交代其背景。
1913年，波耳為了解釋氫原子光譜，任意地提議氫原子中的電子只能在某些具有特定半徑的軌道上運轉，而且電子在這些軌道上運動時不會放出電磁輻射（即愛因斯坦的光量子），但是它可以藉由吸收或放出光量子而躍遷至其他軌道。透過實驗，我們能夠捕捉到原子放出的光量子，也能查驗出有無光量子被原子吸收，卻無從觀測電子是否真的在波耳設定的軌道上運動。
波耳之後，物理學家的目標就是建構出一套完備的理論，讓波耳沒來由的假設獲得妥善的說明，可惜一直沒人成功——直到海森堡。海森堡在1925年夏天提出嶄新的量子法則，在這些法則裡，電子無所謂軌道可言，這是很奇怪的事，但海森堡可是能從中算出實驗所能觀察到的量，例如輻射的頻率與強度。很快地，在眾人合作之下，奠基於海森堡法則的量子力學就此建立起來。
愛因斯坦對於這項成就頗有保留，原因不在於他不承認量子力學的預測非常成功，而在於他認為量子力學不談論電子軌道，顯示這不是完備的理論。1926年春天，海森堡受邀至德國柏林大學演講量子力學，演講結束後，愛因斯坦邀請海森堡陪他走路回家，以便更深入地討論這些新點子。
以下是兩人對話大旨（根據海森堡出版的《物理內外》第五章「量子力學及與愛因斯坦的一場談話」）：
愛：「你的說法實在太奇怪，你假設原子裡有電子，這大概是對的，卻又拒絕考慮它的軌道——即使我們可以在雲霧室中觀察到電子的軌跡。我很想多聽你解釋，為何要做如此奇怪的假設？」
海：「但原子內電子的軌跡可是觀察不到的，而我們卻可以從原子所發出的輻射推論出電子躍遷的頻率以及強度。既然好的理論必須建立在可以直接觀測的量，我以為只把自己局限於處理這些量，是恰當的做法。」
愛：「你可不是真的相信，只有可觀測量才能出現在理論之中吧？」
海：「但你不就是在狹義相對論中這麼做的嗎？畢竟你的確強調過不可以談論絕對時間，因為絕對時間是無法觀測的，只有時鐘才能決定時間，無論是在運動座標或是靜止座標。」
愛：「我也許曾經這麼做過，但這終究是胡扯。把什麼是可觀測量放在腦子裡，或許對於嘗試性的探索是有好處的，不過就原則而論，只把理論建立在可觀測量上，是非常錯誤的做法。事實上，反過來才是對的：不應該由可觀測量去決定如何建構理論，而是理論決定了我們能夠觀察到什麼。你得了解，觀測是很複雜的過程，我們需要藉由理論，也就是自然定律，才能推論出我們到底觀測到了什麼。你必須假設馬克士威的電磁理論是適用的，才能去談光如何從原子傳到光譜儀。」
海：「我所採用的觀點可以上溯至馬赫，難道你認為他錯了？」
愛：「我不希望被認為是在主張某種膚淺的實在論，但是我相信馬赫對於觀測的想法過於幼稚。」
愛：「你能不能更清楚地描述電子如何從一個能態躍遷至另一個能態？」
海：「我從波耳那裡學到，不能用傳統觀念去描述電子躍遷，也就是說，躍遷不能看成是發生在時空中的過程。」
愛：「你似乎只是在談我們對於自然的了解，而不是在談自然到底是怎麼回事。科學只應該關心自然是什麼，而不是我們能夠怎麼談論它，如果你的理論是對的，你遲早得告訴我，電子從一個能態跳至另一個時，它到底做了什麼？」
海森堡當時提不出能讓愛因斯坦滿意的說法，90年後的今天，依舊沒人可以。
