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愛因斯坦與量子力學

生活 更新时间:2024-07-27 19:19:26

從古至今都有無數人想要知道:關于“宇宙、萬物和生命”的終極答案。他們用畢生的精力去探索,但似乎至今也沒有一個令人滿意的結果。20世紀最偉大的科學家是愛因斯坦,有一種傳言說:愛因斯坦認為"宇宙是設計好的。”

愛因斯坦與量子力學(愛因斯坦是量子力學奠基人)1

事實上,如果你真的去翻閱關于愛因斯坦的材料,你就會發現愛因斯坦并沒有說過這樣的話。不過,愛因斯坦卻曾說過類似的話,并且還成為了整個人類科學史上最具代表性的話,這句話就是:上帝不擲骰子

愛因斯坦與量子力學(愛因斯坦是量子力學奠基人)2

可能你要問了,憑什麼說“宇宙是設計好的”與“上帝不擲骰子”是類似的話?

百年論戰

實際上,愛因斯坦在說完這句話後,另外一個物理學家波爾回怼了愛因斯坦一句:愛因斯坦,不要指揮上帝做事。

愛因斯坦與量子力學(愛因斯坦是量子力學奠基人)3

也就是說,愛因斯坦是在一場學術研讨中說了這樣一句話,這一場學術研讨會就是大名鼎鼎的“索爾維會議”,參與到這次會議當中的人都是20世紀最傑出的物理學家。而在這一群物理學家當中,分成了3派,一派是以愛因斯坦為首,反對量子力學的;一派是以波爾為首哥本哈根學派,他們支持量子力學的;還有一派是站中立的,比如:居裡夫人。那這究竟是咋回事呢?

愛因斯坦與量子力學(愛因斯坦是量子力學奠基人)4

20世紀初,在物理學界上空出現了兩朵烏雲,一朵是“黑體輻射”,另外一朵是“以太”。這兩朵烏雲最終催生出了量子力學和相對論,這兩個理論也成為了現代物理學的兩大支柱。不過,在量子力學領域,出現了前所未有的一番局面。

愛因斯坦與量子力學(愛因斯坦是量子力學奠基人)5

原本作為量子力學的奠基人愛因斯坦、薛定谔等人,竟然跳到了量子力學的對立面,去質疑量子力學的“完備性”。由此也引發了一場學術界的百年論戰,而這場論戰的核心就是:上帝到底擲不擲骰子?說白了,就是微觀世界的物理學規律到底是不是随機的?

拉普拉斯妖

要了解這個問題,我們就得先搞清楚,量子力學到底說了什麼?

這個理論描述的是微觀世界的物理學規律。我們以“電子”為例,萬物都是由原子構成的,而原子又是由原子核以及核外電子構成。核外電子到底是如何運動的呢?

愛因斯坦與量子力學(愛因斯坦是量子力學奠基人)6

這其實就是物理學家們十分關心的問題,有一些科學家認為,核外電子是繞着原子核做勻速圓周運動,但是根據電磁學理論,電子最終會墜入到原子核内,這一點是不符合我們實際的觀測結果。

愛因斯坦與量子力學(愛因斯坦是量子力學奠基人)7

後來,物理學家海森堡提出了一個著名的不确定性原理,他認為我們無法像描述宏觀物體那樣去描述一個微觀的粒子。粒子是具有不确定性的,我們隻能用概率的形式來描述。比如,電子在原子核外就應該是呈現概率雲的形式。

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海森堡的理論與真實的實驗觀測是非常契合的。不過,這同時也帶來了一個巨大的問題,電子的“随機性”與當時科學界主流的世界觀是相違背的。那當時科學界主流的世界觀是如何的呢?

在科學界存在着所謂的“四大神獸”,其中一隻就叫做:拉普拉斯妖。著名的天體物理學家,數學家拉普拉斯曾經提出,如果有一個“智者(拉普拉斯妖)”,他知道宇宙中所有粒子某一時刻的位置信息和動量信息,同時他已經掌握了整個宇宙的所有規律,那麼他就可以預言任意時刻,宇宙中所有粒子的變化情況

愛因斯坦與量子力學(愛因斯坦是量子力學奠基人)9

說白了就是,拉普拉斯認為存在着一個終極規律,它可以描述所有的一切。按照拉普拉斯的看法,“宇宙就是被設計好的”,它按照終極規律而發生變化。而愛因斯坦、薛定谔等人贊同拉普拉斯的看法。

可是量子力學的随機性,使得拉普拉斯的這個看法似乎就不成立了,這也是愛因斯坦反對量子力學的核心原因,他用“上帝擲骰子”來諷刺“随機性的荒謬”,這裡的“上帝”就是“終極規律”。而波爾等人則認為,量子力學裡的“随機性”是沒有毛病的,是成立的。

愛因斯坦與量子力學(愛因斯坦是量子力學奠基人)10

誰對誰錯?

科學并不僅僅是一門争論的學問,無論愛因斯坦和波爾的聲望有多高,最終“誰對誰出錯”都需要依靠實驗觀測。科學家在這100多年來通過無數的實驗去檢驗量子力學的理論,實驗做得越多,我們就發現,波爾所領銜的哥本哈根學派支持的“量子力學”是與客觀現實更加匹配,這才使得量子力學成為了主流的科學理論。因此,在這場長達百年的論戰中,波爾勝了。但他的勝利,同時也讓我們知道,“宇宙并不是被設計好的”,上帝是擲骰子的

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