一篇被编辑误读的文章，改写了物理学史

一本只活了 4 年的短命期刊，编辑误读了一篇论文的意思却照样发表。结果，这篇论文改写了物理学史。

本文收录于合集：科学史

撰文 | 任平生

1964 年，一份稿件寄到了一本刚创刊的物理学期刊编辑部。这本期刊有点古怪：封面上，" 物理 " 这个词被印成三种语言——英文的 Physics、法文的 Physique、俄文的 Физика ——像是刻意向读者宣告物理学不分国界。

它的创办者是两位供职于美国贝尔实验室（Bell Laboratories）的物理学家。由于他们对主流学术期刊的审稿效率和质量心怀不满，索性自己动手办刊，亲自把关每一篇来稿。

这次寄来的稿件，作者名叫约翰 · 贝尔（John Stewart Bell），两位编辑都没听说过这个名字。文章讨论的是一个约 30 年前就被提出、却长期被视为哲学问题而非物理问题的老话题—— EPR 佯谬。

约翰 · 贝尔于 1982 年就他的定理发表演讲 | 图源：CERN

编辑之一后来私下回忆，他接受这篇论文，只是希望它的发表能推翻自己不喜欢的另一种理论。可他没有料到，这篇论文会成为 20 世纪下半叶物理学中最重要的论文之一，并在半个多世纪后为三位实验物理学家赢得诺贝尔奖。而承载它的期刊，却只存在了短短四年，此后再无声息。

这就是大名鼎鼎的贝尔定理（Bell's theorem）与昙花一现的期刊《物理》（Physics Physique Физика）的故事。

整个物理学界都在喊 " 闭嘴 "，他却逆流而行

要理解贝尔为什么写下这篇论文，得先回到 1935 年。那一年，阿尔伯特 · 爱因斯坦（Albert Einstein）与鲍里斯 · 波多尔斯基（Boris Podolsky）、纳森 · 罗森（Nathan Rosen）三人发表了论文《量子力学对物理实在的描述能被认为是完备的吗？》，提出了著名的 EPR 佯谬。

三人设计了一个思想实验：如果物理实在必须满足 " 定域性 "（即信息传递不能超过光速，空间上分离的两个系统不能发生瞬时影响），那么在面对处于量子纠缠态的粒子对时，量子力学就会陷入逻辑困境。因为根据量子力学，测量其中一个粒子会瞬时确定遥远处的另一个粒子的状态。

爱因斯坦后来在 1947 年致物理学家马克斯 · 玻恩（Max Born）的信中，以 " 幽灵般的超距作用 "（spukhafte Fernwirkung）表达了他对这类远距关联的疑虑。

他们由此论证，量子力学对物理实在的描述并不完备：粒子在测量之前，可能已经具有某些确定的、量子力学尚未描述出来的属性，只是物理学家还没有找到。这类假想中决定粒子行为、却又不被量子力学纳入的性质，后来被称为 " 隐变量 "。

在随后三十年里，物理学界对 EPR 佯谬的态度大体是回避。其中一个重要原因是数学家约翰 · 冯 · 诺伊曼（John von Neumann）早在 1932 年就给出过一个看似无懈可击的证明，声称任何隐变量理论都不可能重现量子力学的全部预测。这个证明被广泛引用、却极少被真正读懂，渐渐成了物理学界终结讨论的句号：隐变量是死路，不必再谈。

物理学界的主流精力，也全都投向了核物理、粒子物理、激光和半导体这些拿得到经费的领域，追问量子力学到底在说什么，在很长时间里被视为不务正业。

值得一提的是，在冯 · 诺伊曼发表该证明后不久，德国数学家兼哲学家格蕾特 · 赫尔曼（Grete Hermann）在 1935 年就发现了该证明的逻辑漏洞，但她的批判当时并未引起主流学界的注意。直到 1964 和 1966 年贝尔发表了他的发现。如果赫尔曼的发现没有被埋没几十年，那么量子力学的发展轨迹或许会被彻底改变。

格雷特 · 赫尔曼在乡间，约摄于 1932 年。| 图源：德国波恩弗里德里希 · 艾伯特基金会

约翰 · 贝尔 1928 年出生于贝尔法斯特（Belfast）一个新教徒工人家庭，父亲卖马，母亲做裁缝，家里负担不起文法学校的学费。十六岁那年，他因为年龄不够，无法直接进入贝尔法斯特女王大学（Queen's University Belfast）就读，只能先在物理系当了一年实验室技术员。系里的两位教授看出了他的天分，借书给他，还允许他去旁听一年级的课程。

第二年，贝尔靠一笔小额助学金正式入学，三年拿到实验物理学士学位，第四年又拿下数学物理学士学位。此后他进入英国原子能研究机构（AERE）工作，其间赴伯明翰大学攻读博士，师从鲁道夫 · 佩尔斯（Rudolf Peierls），1956 年获得学位。在那个没有电子计算机辅助的年代，他依靠计算器和物理直觉，对带电粒子在加速器中的运动轨迹进行了精确的建模。

1960 年，贝尔加入欧洲核子研究中心（CERN），从事加速器物理与粒子理论研究，这是他一生的正式职业，也是他绝大多数论文的主题。

尽管在加速器设计和粒子物理领域成就斐然，贝尔内心深处却对当时统治物理学界的量子力学正统解释（即哥本哈根诠释）深感不满。他认为，哥本哈根诠释将 " 测量 " 作为量子理论的基石，并人为地在 " 量子（微观对象）" 与 " 经典（宏观测量仪器）" 之间划定界限（即所谓的海森堡切割），这在哲学上是 " 模糊和不诚实的 "。

在战后及冷战初期的物理学界，受到巨额国防资金注入和技术竞赛的影响，物理学研究急剧转向实用主义。当时的学术界弥漫着 " 闭嘴、计算 "（Shut up and calculate）的氛围。主流物理学家们正忙于用量子场论计算散射截面、发现无穷无尽的新基本粒子，而任何试图探究量子力学本体论或基础哲学问题的行为，都会被视为毫无价值的形而上学，甚至是一种职业自杀。

在这种严酷的学术气候下，贝尔只能将他对量子力学基础的深邃思考称为自己的 " 业余爱好 "。他通常只能利用假期或业余时间，在不影响 CERN 正职工作的前提下，独自探索这个被主流学术界漠视的知识荒原。

促使他重新捡起这个话题的，是大卫 · 玻姆（David Bohm）在 1952 年发表的一篇论文。玻姆当时因麦卡锡主义的政治清洗被普林斯顿大学解聘，又被美国政府拒绝续签护照，只得栖身巴西圣保罗。他在那里提出了一套完整的隐变量理论，用确定性的粒子轨迹重新表述量子力学，且与标准量子力学的全部实验预测完全一致。

这套理论在当时几乎无人理睬，爱因斯坦也认为玻姆的理论无法保持局域性。贝尔却大为震动，他后来常说，看到玻姆的论文时，自己的反应是 " 看到了不可能之事被人做成了 "。既然冯 · 诺伊曼已经证明隐变量理论不可能存在，玻姆却实实在在地构造出了一个，那么冯 · 诺伊曼的证明必定在哪里出了错。贝尔花了十年时间才想清楚问题出在哪里，也由此一步步走向了他自己的定理。

编辑误读，却放出了半个世纪最重要的论文

1964 年，贝尔利用休假从 CERN 前往美国，在斯坦福大学、威斯康星大学麦迪逊分校和布兰迪斯大学辗转访问期间，完成了题为《论爱因斯坦 - 波多尔斯基 - 罗森佯谬》的论文。

他没有停留在玻姆的具体方案上，而是问了一个更一般的问题：如果假设隐变量确实存在，而且它们的作用遵循 " 定域性 " ——也就是说，对一个粒子的测量结果，不能瞬间受到远处另一个粒子所发生之事的影响——那么这样的理论，对两个纠缠粒子在不同测量方向下的关联，能给出怎样的预测？

贝尔证明，任何满足这一 " 定域实在论 " 假设的理论，其预测的关联强度都存在一个数学上的上限，这就是后来所说的贝尔不等式。而量子力学给出的预测，在某些测量方向组合下会超出这个上限。

这意味着，爱因斯坦和玻尔（Niels Bohr）之间持续了近三十年、看似永远不会有答案的哲学争论——世界究竟是 " 定域实在 " 的，还是量子力学所描述的那种非定域的、测量之前并无确定属性的世界——第一次有了一个可以被实验裁决的数学判据。这不再是形而上学，而是货真价实的物理学。

贝尔把这篇论文投给了《物理》，一本创刊不久、刊名故意用英、法、俄三种语言书写物理一词的期刊。创办者是贝恩德 · 马蒂亚斯（Bernd Matthias）和菲利普 · 安德森（Philip Anderson，后来的 1977 年诺贝尔物理学奖得主），两人都供职于贝尔实验室（与论文作者同姓贝尔纯属巧合），且都对当时主流期刊的审稿制度极为不满。

《物理》的封面

安德森后来接受采访时说，他厌倦了期刊审稿人常常敷衍了事，编辑决策拖沓，太多不合格的内容被印了出来。为了解决这个问题，马蒂亚斯找到了后来创办佩加蒙出版社（Pergamon Press）、以精明商业手腕著称的媒体大亨罗伯特 · 麦克斯韦（Robert Maxwell），后者很早就意识到学术出版是一门极赚钱的生意。由他出资支持，两位物理学家亲自把关每一篇投稿。

在创刊社论中，安德森和马蒂亚斯把《物理》称为一场实验性的尝试，希望解决一个他们认为越来越严重的问题：值得阅读的好文章数量已超出任何一个人的阅读能力，编辑的职责应是挑出真正重要的那部分，而非尽量多发。

为此，他们放弃传统同行评审，改由两位编辑亲自审读、决定取舍，发表的文字还能拿到每字十美分的稿酬。他们也坦承，收到不少同行写信批评这套办法，说他们的判断必定会出错，会漏掉真正优秀的工作。两人的回应是，他们会尽力做到最好，但也接受自己会犯错，因为他们采用的标准不会更好，只会不同。

事实证明，这套标准确实识别出了贝尔那篇 " 非主流 " 论文的价值。安德森晚年曾回忆称：那天寄来一篇稿子，作者是两人都没听说过的约翰 · 贝尔，内容是量子力学里的隐变量问题；马蒂亚斯完全摸不着头脑，安德森却接受了这篇稿子，理由是希望它的发表能给玻姆的轨迹量子力学判处死刑。

讽刺的是，安德森由于自身专注于凝聚态物理的实用性，对玻姆那种充满形而上学色彩的隐变量理论极度反感。他粗略阅读后，误以为贝尔的论文是一击毙命的武器，彻底证伪了隐变量。

然而事实恰恰相反，贝尔高度赞赏玻姆理论作为对冯 · 诺伊曼不可能性证明的反例。贝尔定理并没有证明隐变量理论是不可能的，而是证明了定域隐变量理论是不可能的。玻姆的理论正是因为明确包含了非定域性，才得以在贝尔定理的数学审判下合法存活。安德森对论文内容的严重 " 误读 "，阴差阳错地促成了这篇伟大理论文献的顺利发表。

1964 年 11 月，这篇论文正式刊出，几乎没有激起任何反响。此后六年里，它总共只被引用不到 12 次，且不乏怀疑或轻视的评价。量子力学的基础问题在当时近乎禁区，被许多人当作哲学系的话题，而非严肃物理学的一部分。

《物理》期刊本身的命运也没有好到哪去。它只存活到 1968 年，一共出版四卷就宣告停刊。据安德森透露，停刊的原因之一是麦克斯韦没有兑现当初对作者的承诺。说好的快速发表，出版间隔却越拉越长，再加上麦克斯韦对利润的追逐日益激进，这份以追求更好标准起家的期刊，最终倒在了资助者的商业逻辑之下。

顺带一提，为了澄清冯 · 诺伊曼证明里的错误，贝尔撰写了一篇题为《论量子力学中的隐变量问题》的论文。然而，这篇实际上写于 1964 年之前的论文，在投递给顶级期刊《现代物理评论》（Reviews of Modern Physics）后，竟因稿件错误归档和通信失误被耽误两年之久，直到 1966 年才得以面世。

这一严重失职，直接导致了贝尔探讨量子力学的第二篇论文，率先发表在籍籍无名的《物理》上。

一本活不过 4 年的期刊，终于等来了诺奖

贝尔的论文之所以没有彻底湮没，要归功于一个偶然。

1967 年，还在哥伦比亚大学读研究生的约翰 · 克劳泽（John Clauser）在检索期刊时，被《物理》这个略显奇特的三语刊名吸引，随手翻阅，读到了贝尔的文章。此后两年，他反复琢磨这个理论能否付诸实验检验，却因这个方向被视为不务正业而屡屡碰壁。

1969 年 2 月，克劳泽写信给贝尔本人和玻姆，想确认是否已有人做过类似的实验尝试。据贝尔后来回忆，这是他那篇论文发表四年多以来，收到的第一封来自其他物理学家的直接回信。他和玻姆都对居然有实验物理学家关心这个问题感到惊喜，很快回了信，予以鼓励。

1972 年，克劳泽与斯图尔特 · 弗里德曼（Stuart Freedman）在加州大学伯克利分校完成了最早一批对贝尔不等式的实验检验。他们测量了成对光子的偏振关联，结果明确违背了贝尔不等式，与量子力学的预测相符。

不过受限于实验技术，早期实验存在若干漏洞：例如探测器只能捕捉一部分光子，因此需要假设被探测到的样本能够代表全部光子；测量装置的方向又是预先设定的，无法完全排除两个测量端之间存在某种局域信息交换的可能。

十年后的 1982 年，法国物理学家阿兰 · 阿斯佩（Alain Aspect）与同事进一步改进实验，再次观察到对贝尔不等式的显著违背，并与量子力学预测一致。

此后，奥地利物理学家安东 · 蔡林格（Anton Zeilinger）率领团队将纠缠光子的操控推向更远的距离、更复杂的系统。他们在更远距离和更多粒子的系统中检验量子纠缠，并完成了量子隐形传态、纠缠交换等实验。

又过了四十年，克劳泽、阿斯佩与蔡林格三人共同获得 2022 年诺贝尔物理学奖，获奖理由是 " 利用纠缠光子实验，确立了对贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学 " 。

遗憾的是，贝尔本人未能等到这一天。1990 年 10 月 1 日，他因中风在家中去世，年仅 62 岁。

从 1964 年那篇几乎无人问津的论文，到 2022 年的诺贝尔奖，中间隔了将近六十年。今天，贝尔不等式的检验早已走出实验室：日内瓦团队在 1990 年代末报告了相距 10.9 公里的贝尔型量子关联实验；2017 年，中国 " 墨子号 " 量子科学实验卫星在潘建伟团队主持下，将纠缠光子分发到相距 1200 公里的两个地面站，验证了贝尔不等式的违反。

实验一次次违反贝尔不等式，逐渐排除了局域隐变量理论对量子纠缠的解释。与此同时，这些原本用于检验量子力学基础的实验，也让纠缠变成了可以制备、操纵和利用的物理资源，并由此推动量子通信、量子密码和量子计算等量子信息科学的发展。

至于那份刊登了这一切起点的期刊，它连自己的名字都没能留住。《物理》这个过于朴素的刊名，如今几乎没有人记得。它只存在了四年，此后被美国物理学会收入档案，仍可在网上免费查阅。

在各种阴差阳错、机缘巧合之下，一份自己都没能撑过四年的期刊，却刊出了此后半个多世纪里物理学界回响最久的一篇论文。这又何尝不是量子力学（玄学）的一种体现呢？

参考资料

[ 1 ] https://physicsworld.com/a/john-bell-and-the-most-obscure-journal-in-physics/

[ 2 ] https://journals.aps.org/ppf/

[ 5 ] https://doi.org/10.1103/PhysicsPhysiqueFizika.1.195

[ 6 ] https://doi.org/10.1103/RevModPhys.38.447

[ 7 ] https://physics.aps.org/articles/v18/53

[ 8 ] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/clauser/222119-interview-transcript/

[ 9 ] https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.23.880

[ 10 ] https://cds.cern.ch/record/1060284/files/PhysRev.48.696.pdf