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为什么爱因斯坦一生都不相信量子力学是“上帝在掷骰子”?

时间:2018-10-07 21:16:29

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为什么爱因斯坦一生都不相信量子力学是“上帝在掷骰子”?

牛顿力学建立之前,人们对客观世界的认识还处于半迷信半理性化的困境。在牛顿以前,神学依旧占据着西方的主流价值观,但同时又流行起来了愈来愈多的理性派,他们试图用科学理性的思维来认识世界,而不是一昧的笃信上帝。这典型的代表便是哥白尼,伽利略,开普勒。牛顿在总结前人的经验基础上,重新构建起来了科学大框架。牛顿力学的建立让人类第一次有了科学大系统,人们认识自然现象除了上帝,终于有了理性的工具了!

在当时人们的心中,牛顿力学对天体运动的解释很适用,对日常生活中的力学现象解释也很完美。牛顿力学不仅可以解释太阳系中行星运动的轨迹和周期,还可以解释生活中的自由落体现象。人们利用牛顿力学可以预测月食,日全食,亦可以指导生活实践中的工程力学问题。

在牛顿力学统治的两百年内,人们也只能用经典力学认识一些接近生活实际的自然现象,如果牵扯到微观领域,也只能以牛顿力学为基础来推测了。不对,应该是猜测了!随着电子显微镜的发展,科学家们更加深入地了解了微观世界的现象。人们猜测了分子和原子的存在,随后得到了验证。此后又发现了电子的存在,发现者叫汤姆森。他认为电子就像葡萄干一样均匀地镶嵌在原子的内部。随后一个名为卢瑟福的科学家做了一个散射实验,推翻了汤姆森的葡萄干模型。他认识电子是绕原子核运动的,电子和原子核之间全是真空。电子绕原子核运动就像是地球绕太阳一样规律。所以人们也称卢瑟福对电子运动的诠释为行星模型!

之后科学家又发现,电子这玩意还不断地向外辐射电磁波,辐射电磁波的电子能量势必会降低,如果按照卢瑟福的行星模型来解释电子的运动,那么伴随着电子能量的释放,势必会导致电子绕原子核运动的轨道降低,最终落到原子核上,那么就不会存在电子,也不会有光了!

1900年,普朗克提出了能量量子化,标志着量子力学的建立,随后玻尔的分层模型,泡利不相容原理等等都在用量子的概率解释电子的运动。

到目前为止,对电子运动的诠释最受好评的便是哥本哈根学派的电子云模型。电子的确是在绕原子核运动,但是并不是像行星绕恒星那样的规律。电子在原子核外分别处于不同的能级上,当电子自发辐射出电磁波(也就是光子),能级会降低,轨道从而改变。电子绕原子核运动很诡异,你永远不知道电子在下一刻会出现在哪里,因为它完全是随机的。

而经典力学告诉我们,倘若知道一个物体的速度和轨迹,我们完全就可以预测这个物体在下一刻会出现在哪。而事实上,电子却对经典力学说“不”! 其实这个时候就尴尬了,科学家难道就没有一种方式来量化电子的运动了吗? 科学家最后发现,虽然电子运动变幻莫测,它可以出现在空间中的任何一点,但是电子好像很偏爱那“几个”空间位置,也就是说,电子经常去特定的那些空间位置,并不是说它们不去其他空间位置,而是很少去其他空间位置! 举个例子,你永远不知道皇帝今晚会宠幸哪个妃子,但是你可以把皇帝这半年来宠幸某些妃子的次数列举出来,这样就可以做出来皇帝宠幸某一妃子的概率分布图了!

电子的运动也一样,量子力学的做法就是把电子的运动做成了概率分布,科学家可以用概率统计描述电子出现在某个位置的几率。图中越密集的部分,也就是电子分布概率越大的空间位置!

最后你会发现,微观世界居然是概率统计的,量子力学是建立在概率的基础上的,量子力学的基础无疑是在掷骰子,这也太不靠谱了吧!爱因斯坦相信,这里面一定有问题,并不是电子的运动就是随机的。一定是我们的认知水平有限,才导致我们无法弄清电子运动的本质规律,所以才折中的用概率来描述电子的运动。爱因斯坦曾经质疑量子力学哥本哈根学派的概率论,他对玻尔说,“上帝并不会掷骰子”,而玻尔更是自信的回怼到,“爱因斯坦,不要告诉上帝该怎么做”!

作为20世纪最伟大的物理学家之一,爱因斯坦生前的一言一行都备受关注,其对新量子力学的质疑曾引起学界争论。

上个世纪,和相对论并重的另一大理论就是隔壁班的量子力学。

量子力学的建立以1900年普朗克提出的能量量子化为标志。1905年,爱因斯坦在能量量子化的概念基础上提出来光量子假说,大力推动了量子力学的发展。

普朗克和爱因斯坦可以算作是量子力学的第一代耕耘者。他们也被视为旧量子理论的创始人。之后量子力学的话语权落到以玻尔为首的哥本哈根学派手中。 除此之外,对微观世界的解释还有多宇宙诠释理论。哥本哈根学派和多宇宙诠释理论一并被称为新量子理论。当然,哥本哈根学派的影响力远远碾压了后者。文中所说的新量子论特指哥本哈根学派。

青年时期的爱因斯坦

开始正文之前,我必须强调,爱因斯坦对新量子论的质疑在目前看来是错误的,但也不得不承认他的质疑也推动了新量子论的发展。

文中资料参考了爱因斯坦文集以及官方记载的本人谈话资料。笔者只是从爱因斯坦的角度谈谈量子力学发展的曲折历程,并非为爱因斯坦翻案。

在1905年,爱因斯坦提出来了光量子概念,第一次用量子概念解释了光电效应。物理学家兴奋不已,不得不感叹新理论第一次崭露头角就如此锋利,解决了人类数千年来对光本质的困扰。

虽然这个时候(1905年)人类已经发现了电子,但对原子内部的认知还停留在汤姆森的西瓜模型中(又译葡萄干蛋糕,枣糕模型等等)。

西瓜模型

人们在那时已经知道原子中有带正电和带负电的粒子。还知道原子整体呈现出电中性,于是推断出:原子内的正负电荷一定刚刚好地抵消掉了。自然而然就会联想到原子内部的正电和负电均匀镶嵌在原子中,就像西瓜籽镶嵌在果肉中一样。这就汤姆逊原子模型。

直到1909年,卢瑟福通过α粒子散射实验发现原子中有个很大的核,这个核带正电,并且集中了原子总质量的99%以上,原子核外面是电子,并且很空旷。基于实验,卢瑟福提出来原子的行星模型。认为电子绕原子核作圆周运动,就像行星绕恒星一样。

行星模型

与此同时,人们发现行星模型具有重大缺陷,因为绕核作圆周运动的电子势必有加速度,并会释放能量,导致轨道越来越低,直至落到原子核内。这样的话,原子核外就没有电子了,那为什么我们还能继续观察到电子呢?这就是行星模型的致命之处。

其实不管是汤姆逊还是卢瑟福,都在用经典物理的思维解释原子模型。这在一点上,爱因斯坦是喜闻乐见的。直到玻尔开始用量子的概念对原子模型解释后,情况才变得愈发激烈起来。

玻尔认为,核外电子的轨道应该分成不同能级,电子辐射了能量会同时降到低能级上,吸收了能量会跳到高能级上。

玻尔能级理论

这种解释让电子的运动第一次变得诡异起来。人类不理解,电子是如何变轨的?也不清楚电子为什么没有固定轨道。

随着量子力学的发展,物理学家发现对于单个电子,就无法同时测量出它的速度和位置,而不得已用波数和振幅描述电子的轨道。

在1926年,海森堡和爱因斯坦的谈话中,海森堡给爱因斯坦解释到,我们没有办法测量电子的可观察量,我们不能得到电子运动的十分准确的位置和速度信息。但是我们可以用概率描述电子的运动,尽管这样很粗糙,但也是科学的,毕竟经典物理学中也常会用波数和振幅表达某一物理量。

海森堡

爱因斯坦反驳到,这样做只是一个理论的过渡时期而已。因为我们还没有能力了解电子的真实运动。

就好比我们并不是不能精确预测天气,而是没有能力记录每个空气分子的运动以及它们之间的相互作用。如果可以做到这些,那我们就能精确预测天气。雾霾颗粒做布朗运动,不是说自然世界就没有规律可言,而是我们不了解每个雾霾颗粒之间撞击力度和方向而已,才不得已用布朗运动描述它们。

在1927年第五次索尔维会议上,爱因斯坦同样表达了相似观点。在爱因斯坦看来,现在用电子云描述电子的轨道并不是电子真实的运动情况。

哥本哈根学派总是用概率粗略的描述一群电子的运动规律,而不能准确地描述单个电子真实的运动规律。这只能说明量子力学是不完备的,真正完备的量子力学肯定可以描述单个电子精确的运动规律。

信奉物理实在论的爱因斯坦,的确不会相信哥本哈根学派对电子运动如此诡异的解释。

玻尔

而玻尔回怼爱因斯坦:不要惊讶,电子只能用概率波描述,这不是因为我们没有能力,而是自然世界本该如此。

爱因斯坦肯定恼火不已,在他看来,自然世界的现象是实在的,精确的。用概率描述自然现象只是人在研究微观粒子的过程中采用的一种不得已的手段,这种手段可以是概率统计,但背后对应的自然现象绝不会是扑朔迷离的概率波。

在19,爱因斯坦曾写信给玻恩说到:我们应该对新量子论的成功感到羞愧。因为他们的灵感来自耶稣会的座右铭“不可让你的左手知道你的右手所做的事”。如果真是新量子论描述的那样,那么自然世界就变得没有确定性了。我是不相信我们无法精确预测电子的运动,就证明它具有自由意志。

电子云

1926年,同样是在给玻恩的信中,爱因斯坦明确表示:“我无论如何都深信上帝不是在掷骰子”。

1924年,爱因斯坦给贝索的信中说到:我认为我在量子力学坚持的观点是对的。暗指他们(指玻尔等人)误入了歧途。

在1949年给贝索的信中。爱因斯坦说到,他并不是反感量子力学用概率统计的方式定量分析微观粒子的运动。而是反感他们居然把这种不确定的概率当成自然世界应有的本质。

当然,爱因斯坦也并不闲着

在对量子纠缠的问题上,爱因斯坦提出来这样一个假设:观察纠缠粒子的其中一个,并同时知道另一个粒子的信息并不是什么鬼魅的超距作用。就好像随机往两个盒子内放入一双手套,把一个盒子放在房间内,另一个盒子拿到南极。要是我打开房间里的盒子发现为左手套,也同时知道远在南极的盒子为右手套,这是逻辑推理。

爱因斯坦深信,量子纠缠是由于纠缠粒子分开的那一刻已经决定了一切,就好像左右手套一样。新量子力学对量子纠缠的解释很诡异,只能说明他们的理论不完善,并没有完全搞懂量子纠缠内部的作用机制而已,或许导致量子纠缠的出现是某种未知作用在作祟。

在爱因斯坦眼里,量子力学的不完备才导致了譬如概率波,叠加态,量子纠缠等稀奇古怪的解释。

量子纠缠

1935年,爱因斯坦曾经联合罗森等人提出来“EPR佯谬”,用于质疑量子力学的不完备性。爱因斯坦认为量子纠缠不能超光速,并且实验结果并不因人的观察行为而改变。

不能超光速就意味着:在某一区域,不能存在超光速行为,这叫定域论。观察结果不因人而异叫实在论。在经典物理学中,正确的理论预测的结果总是一样的,不管你在哪里做实验都是一样的,除非实验有问题。这就是实在论。爱因斯坦坚持的思想就是定域论和实在论,简称定域实在论。

爱因斯坦

1964年,贝尔提出来贝尔不等式给爱因斯坦和新量子论做裁判

答案显而易见,爱因斯坦错了。但贝尔实验一直饱受有漏洞的诟病。直到开始,科学家利用超过10万人的自由意志做了升级版大贝尔实验。

实验结果于北京时间5月10日公布了,其结果强有力地证明了爱因斯坦的定域实论是错的, 量子力学理论是对的!经历了100年,我们终于可以为新量子力学洗白了!

但是还有人不甘心,毕竟这10万人都在地球上,只有排除了任何光速以下的“隐变量”,才能证明量子纠缠的确是“魔鬼般的超距作用”。

科学家接下来计划在月球上做贝尔实验。到时候全民又有机会参与这样伟大的实验了。

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