我們都知道，愛因斯坦有一句話非常有名，叫做：“上帝不擲骰子”。這句話其實是愛因斯坦對相對論的概括，愛因斯坦的相對論雖然推翻了牛頓的絕對時空觀，卻仍保留了嚴格的因果性和決定論。這句話涉及到了科學與哲學範疇，至今仍被拿來讨論。

在愛因斯坦看來，所謂的随機現象或概率事件中的偶然性，純粹是人類的認識上的特征。世界萬物都有其發展規律，擲骰子就排除了認識世界的可能性。愛因斯坦的這句話後來更衍生出來了宿命論和不可知論的哲學探讨。

今天我們就來聊聊“上帝不擲骰子”這句話的由來。20世紀前三十年，可以說是科學史最輝煌最璀璨的三十年。

在這三十年裡，普朗克、玻爾為量子力學奠定了基礎、愛因斯坦提出了相對論、泡利提出了不相容定理、德布羅意則提出了物質波。

這三十年裡的成就直接開啟了自牛頓以後一個全新的科學時代，直至今日，我們依然還在研究完善這三十年裡提出的研究成果。

玻爾、普朗克、愛因斯坦三人，可以說是新的科學時代的締造者

我們也知道，這三十年裡的科學成果，總體來說，可以分為量子力學派和相對論派。愛因斯坦雖然是量子力學的奠基人，愛因斯坦渴求的是一個絕對客觀和确定的物理世界，因此他反對現代量子理論，尤其是以哥本哈根學派為首的以概率來解釋量子力學。哥本哈根學派認為微觀世界物質具有概率波等存在不确定性，不過其依然具有穩定的客觀規律，不以人的意志為轉移，所以人類并不能獲得實在世界的确定的結果。

玻爾更是直言：“電子的真身，或者電子的原型？本來面目？都是毫無意義的單詞，對我們來說，唯一知道的隻是我們每次看到的電子是什麼。我們看到電子呈現出粒子性，又看到電子呈波動性，那麼當然我們就假設它是粒子和波的混合體。我們無需去關心它“本來”是什麼，也無需擔心大自然“本來”是什麼，我隻關心我們能“觀測”到大自然是什麼。電子又是粒子又是波，但每次我們觀察它，它隻展現出其中一面，這裡的關鍵是我們“如何”觀察它，而不是它“究竟”是什麼。”

愛因斯坦、玻爾

這讓愛因斯坦大為惱火，而 1927 年，海森堡提出的測不準原理，更是直戳愛因斯坦。

在說海森堡的測不準原理之前，我們先來科普一下普朗克常數，普朗克常數是在量子物理學中非常重要的一個自然常數，也是一個物理常數，可以說在描述量子（ 一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子，是能量的最小單位 ）大小方面具有非常重要的地位，是德國的著名物理學家和量子學的創始人馬克斯.普朗克 1900 發現的。

普朗克發現電磁波的發射和吸收不是連續的，而是一份一份地進行的，由此普朗克得出來世界上不連續的結論

普朗克常數記為 h，是一個物理常數，普朗克常數用以描述量子化、微觀下的粒子，例如電子及光子，在一确定的物理性質下具有一連續範圍内的可能數值。在第 26 屆國際計量大會(CGPM)表決通過，普朗克常數的精确數約為： h =6.62607015×10 -34 J·s

這個理論是說，你不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度，粒子位置的不确定性，必然大于或等于普朗克常數除于 4π ，這表明微觀世界的粒子行為與宏觀物質很不一樣。

大家看得懂這張圖嗎

海森堡指出，要想測量粒子的位置和速度，最好是用光照到一個粒子上的方式來測量，一部分光波被此粒子散射開來，由此指明其位置。但不可能将粒子的位置确定到比光的兩個波峰之間的距離更小的程度，所以為了精确測定粒子的位置，必須用短波長的光。

但普朗克指出，不能用任意小量的光，至少要用一個光子，而這個光子會擾動粒子，并以一種不能預見的方式改變粒子的速度。

所以，簡單來說，就是如果要想測定一個粒子的精确位置的話，那麼就需要用波長盡量短的波，這樣的話，對這個粒子的擾動也會越大，對它的速度測量也會越不精确；如果想要精确測量一個粒子的速度，那就要用波長較長的波，那就不能精确測定它的位置。

所以總結來說，你選擇以确定電子位置的實驗本身，就導緻了你無法對電子的動量進行精密的測量！玻爾為首哥本哈根派認為，這一測不準原理是自然界固有的不确定性導緻的！

海森堡的測不準定理很好佐證了量子力學微觀世界物質存在不确定性的結論。這也被愛因斯坦看作“上帝在擲骰子”的具體佐證。

所以他才會回擊“上帝不擲骰子”，他認為量子理論僅僅是統計學的意義，并非完整的描述客觀世界的“現實性”，愛因斯坦認為在測量之前，電子的位置與動量是存在的，隻是我們現有的技術與理論的局限性導緻的測不準原理，所以測不準原來并非客觀規律本身導緻的！

而在這個時候，愛因斯坦的忠實支持者薛定谔率先發起了一波反擊，然而卻無形助攻了海森堡一波，并且還完善了量子力學，精确概括了量子力學的本質，堪稱豬隊友。

愛因斯坦曾給薛定谔寫了一封信：兩個一模一樣的密閉盒子，在其中一個盒子中放入一個球，在打開任一盒子之前，按常理來說，在第一個盒子中找到球的概率應該是50% 。但愛因斯坦并不認為這是一個完備的描述，他相信在原子領域一定有一個合适的理論，可以計算出一個确切的數值。在他看來，僅僅計算出概率還遠遠不夠。

我和大家說一下，正如前面所言，愛因斯坦用找到球的概率來指代量子力學，而他按照自己創立的相對論觀點則認為可以計算出一個确切的數值。

受這封信的啟發，薛定谔把球換成了貓，在一個盒子裡有一隻貓，以及少量放射性物質。之後，有50%的概率放射性物質将會衰變并釋放出毒氣殺死這隻貓，同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓将活下來。

根據經典物理學，在盒子裡必将發生這兩個結果之一，而外部觀測者隻有打開盒子才能知道裡面的結果。但是在量子的世界裡，當盒子處于關閉狀态，整個系統則一直保持不确定性的波态，即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開後才能夠知道。

這裡涉及到了一個電子雙縫實驗，就是我們前面講到的的電子究竟是粒子還是波的問題，在德布羅意提出了波粒二象性之後，C . J . 戴維孫和 L . H . 革末通過實驗确認了一切物質都具有波粒二象性後。量子力學認為當人們沒有對粒子進行觀察的時候，它們是以波的形式運動，由于存在幹涉，穿過雙縫後會出現一道道痕迹。一旦觀測後，它們立刻選擇成為粒子，就不會産生幹涉，穿過雙縫留下痕迹。（電子屬于粒子的一種）

這項實驗本來是薛定谔用來打臉量子力學的，因為他旨在論證量子力學對微觀粒子世界超乎常理的認識和理解，這會使微觀不确定原理變成了宏觀不确定原理，客觀規律不以人的意志為轉移，貓既活又死違背了邏輯思維。

因為根據量子力學的理論，在不打開盒子的情況下“ 此時既可以說貓是活的，又可以說貓是死的。 ”然而這含生又包含死的情形不能被用來描述現實的狀況。

可惜，薛定谔忘記了量子力學是旨在探究微觀領域，而非宏觀世界，有時候宏觀世界是無法用來解釋微觀世界的。量子力學的一個中心原則就是粒子可以存在于疊加态中，能同時擁有兩個相反的特性，也就是我們說的波粒二象性。盡管我們在日常生活中常常面對“不是A就是B”的抉擇，而但在微觀世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的，就好像我們經常說一個人，不能簡單判斷他是善惡一樣。

在過去的幾十年裡，物理學家成功地在實驗室中實現了多種薛定谔貓态，将物質微粒轉變為“既是 A 又是 B”的疊加态，并探測它們的性質。盡管薛定谔仍然十分倔強地表示保留意見，然而每一次測試結果都符合量子力學的理論預測。

薛定谔的貓本來是用來挫敗量子力學的一個思想實驗，卻成為闡述量子力學本質的一個經典比喻之一，也向我們揭示了廣闊的微觀世界是充滿神秘、未知、兇險的。

作為愛因斯坦的隊友，薛定谔實實在在坑了愛因斯坦一把，成功打臉愛因斯坦那句著名的話；”上帝不玩骰子“，薛定谔的貓反而成為了“上帝似乎是玩骰子的”的最好佐證。

但在薛定谔利用“薛定谔的貓”這個經典實驗進行反擊的時候，愛因斯坦也沒有閑着，1935年，在普林斯頓高等研究院，愛因斯坦、博士後羅森、研究員波多爾斯基合作完成論文《物理實在的量子力學描述能否被認為是完備的？》，并且将這篇論文發表于5月份的《物理評論》。這是最早探讨量子力學理論對于強關聯系統所做的反直覺預測的一篇論文。在這篇論文裡，他們詳細表述EPR佯謬，試圖借着一個思想實驗來論述量子力學的不完備性質。（EPR就是指： E: 愛因斯坦、P: 波多爾斯基 和R: 羅森）

在愛因斯坦這個實驗中提到，A和B兩個粒子在瞬間接觸後，沿相反方向離去。雖然測不準原理不允許同時得知每個粒子的位置與動量，但他允許同時精确的測量A和B兩個粒子的總動量和他們的相對距離

這樣一來，如果我們隻測量A的動量，再根據動量守恒定律，就可以在B不受幹擾和影響的情況下，精确的得知B的動量。

戴維·玻姆版的EPR思想實驗，玻姆将其簡化為測量粒子自旋的實驗

這樣就能證明B粒子的位置與動量的現實性在對B測量之前是存在的，并不是像哥本哈根那樣所認為的在測量之前不存在位置與動量，動量與位置僅僅是以概率雲的形式存在！

這個思想實驗裡有一個非常重要的一點——“定域性假設”，即如果測量時兩個系統不再相互作用，那麼對第一個系統所做的無論什麼事，都不會使第二個系統發生任何變化。

愛因斯坦的這波反擊可以說實實在在地打蛇七寸在，直戳痛點。而哥本哈根學派掌門人玻爾雖然最後承認了愛因斯坦提出的“現實性”和“A,B之間不存在“力學”的影響”的觀點。

可是玻爾卻并沒有認輸，他指出這個實驗中測量A粒子的行為是問題的關鍵 。

玻爾認為：A和B在分開之前曾互相作用，它們将永遠作為一個系統的一部分糾纏在一起，不能視作2個獨立的系統，因此測量A的動量實際上等效于對B進行了直接的同樣的測量，這才使得B立即有了完全明确的動量 。

這就引出了著名的“量子糾纏”理論，舉一個例子，在微觀世界裡，兩個糾纏的粒子可以超越空間進行瞬時作用。也就是說，一個糾纏粒子在地球上，另一個糾纏粒子在月球上，隻要對地球上的粒子進行測量，發現它的自旋為下，那麼遠在月球上的另一個糾纏粒子的自旋必然為上。

但愛因斯坦立馬反駁，量子糾纏怎麼可以讓兩個粒子超越空間的進行瞬時作用呢？這不就是突破了光速極限了嗎？

愛因斯坦為此也舉了一個例子。把一雙手套分别放入兩個外觀完全相同的兩個盒子裡，打亂之後，随機挑選一個放在家裡，而把另一個放到南極洲。倘若我打開家裡的盒子發現為左手套，那麼我就同時知道，遠在南極的那個盒子裡的手套必為右手套。愛因斯坦相信，量子糾纏是一個粒子被分割成兩個粒子後形成的糾纏現象，所以它們各自的狀态在被分離開的那一瞬間就被決定好了！這樣一來，量子糾纏就不能超越光速了。

中國科學家曾經計算出量子糾纏的速度至少有個下限，也就是說量子糾纏的速度至少不低于光速的四個數量級，也就至少是光速的10000倍。至于量子糾纏的速度上限，科學家還無從得知。

這場論戰并沒有随着愛因斯坦、玻爾、海森堡等人的去世而宣告終結，後來科學家提出了一個名為“貝爾不等式”的定理。簡單一點說，貝爾不等式就是說，量子糾纏背後到底有沒有一個未知的新世界或者新現象幹預着粒子之間相互作用，進而導緻自然世界出現了像量子糾纏這種神奇的“表象”。如果該不等式成立，那麼愛因斯坦獲勝，如果該不等式不成立，則玻爾獲勝！

貝爾不等式實驗驗證示意圖

而我國的“墨子号”量子科學實驗衛星就把遠距離量子糾纏分發來檢驗貝爾不等式作為三個主要目标之一，随着我國率先實現千公裡級量子糾纏分發 ，也直接地證明了量子糾纏的存在。也推翻了貝爾不等式，量子力學的權威性得到了維護。

中國量子衛星實現千公裡級量子糾纏分發

這也證明了“上帝的确在擲骰子”，可是這并不能說明愛因斯坦的定域性原理是完全錯的。而為什麼會有量子糾纏，這種神秘的“影響”的性質究竟又是什麼？依然在等待着科學家們的不屑探索。

普朗克，愛因斯坦，玻爾等偉大的先驅們，為我們打開了一扇微觀世界的大門，我們僅僅對着門裡的驚鴻一瞥，就能令我們如此震驚。前面還有什麼等待着我們，造物主是否又在大門後向我們招手呢…..

（薛定谔的貓是對量子疊加的最好诠釋，而量子糾纏則是對愛因斯坦EPR悖論的反駁。這兩個歸結起來就是“上帝是否在擲骰子”之争）

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