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愛因斯坦量子力學到底是什麼

生活 更新时间:2024-11-30 09:08:43

科學研究是建立在觀察到自然現實與用數學語言表述的理論,對這一現實表述之間關系的基礎上。如果理論的所有結果都被實驗證明了,那麼它就被認為是有效的。這種方法已經使用了近四百年,建立了一緻的知識體系。但這些進步都要歸功于人類的智慧和先驅智者,盡管如此,他們仍然能夠堅持自己先前存在的信仰和偏見。這可能會影響科學的進步,即使對最偉大的人來說也是如此(比如愛因斯坦)。

第一個錯誤:宇宙學常數

在愛因斯坦廣義相對論傑作中,他寫下了描述宇宙随時間演變的方程式。這個方程的解,表明宇宙是不穩定的,而不是像當時認為的那樣,是一個體積恒定的巨大球體,恒星在周圍滑動。在20世紀初,認為我們生活在一個靜止的宇宙中,在這個宇宙中,恒星的運動是不變的。這可能要歸功于亞裡士多德,他說天空是不變的,不像地球是運動的。

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這一想法引起了曆史上的反常:1054年,我們中國人注意到天空中出現了一種新的光線,但沒有歐洲曆史記錄提到這一點。然而,它可以在全天看到,并持續了幾個星期。這是一顆超新星,也就是一顆垂死的恒星,其殘餘物仍然可以被視為蟹狀星雲。在歐洲占主導地位的思想,阻止人們接受一種與天空不變的想法完全矛盾的現象。超新星是一種非常罕見的事件,平均肉眼隻能在一個世紀内觀測到一次。

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上一次可以追溯到1987年,因此,亞裡士多德認為天空不變幾乎是正确的,至少在人類生活的規模上是這樣。為了保持與靜态宇宙的想法一緻,愛因斯坦在方程式中引入了一個宇宙學常數,這“凍結”了宇宙的狀态。他的直覺讓他誤入歧途:1929年,當哈勃證明宇宙正在膨脹時,愛因斯坦承認他犯了“他最大的錯誤”。

第二個錯誤:量子随機性

量子力學幾乎與相對論同時發展,量子力學描述了無限小尺度上的物理(普朗克尺度),愛因斯坦在1905年對這一領域做出了巨大貢獻,他将光電效應解釋為電子和光子之間的碰撞,即攜帶純能量的無限小粒子。換句話說,傳統上被描述為波的光行為就像粒子流,正是這一進步,而不是相對論,為愛因斯坦赢得了1921年的諾貝爾獎。但是,盡管做出了這一重大貢獻,他仍然頑固地拒絕量子粒子世界不受經典物理嚴格決定論的約束。

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量子世界是概率性的,我們隻知道如何在一系列可能性中預測發生的可能性。在愛因斯坦的盲目中,我們再次看到了希臘哲學的影響。柏拉圖教導說:思想應該保持理想,不受現實的偶然性影響,這是一種高尚的思想,但并不遵循科學的戒律。知識需要與所有預測的事實完全一緻,而信念則是建立在可能性的基礎上,這種可能性是由部分觀察産生的。

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愛因斯坦本人确信,純粹的思想能夠完全捕捉到現實,但量子随機性與這一假設相矛盾。在實踐中,這種随機性并不是純粹的噪聲,因為它受到海森堡測不準原理的約束。這一原理将集體決定論強加于粒子組,電子本身是自由的,因為我們不知道如何計算離開空穴時的軌迹,但一百萬個電子繪制了一個衍射圖,顯示出我們确實知道如何計算的暗條紋和亮條紋。

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但愛因斯坦并不接受這種根本的非決定論,正如他挑釁性的結論所總結的那樣:上帝不會和宇宙擲骰子。愛因斯坦設想了隐藏變量的存在,即物理學家用來描述粒子的質量、電荷和自旋之外尚未發現的數字。但實驗并不支持這一觀點,不可否認的是,現實的存在超出了我們的理解,我們不可能知道關于無限小世界的一切。

想象力偶然的突發奇想

在科學方法的過程中,還存在着一個不完全客觀的階段。這就是理論概念化的原因,愛因斯坦用思維實驗給出了一個著名的例子:想象力比知識更重要。事實上,當一個物理學家觀察不同的觀測時,他必須想象一個潛在的定律。有時,幾個理論模型會争相解釋一個現象,隻有在這一點上,邏輯才會再次占據上風。情報的作用不是發現,而是準備,它隻對服務任務有好處,這樣,思想的進步就源于所謂的直覺。

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這是一種超越純粹理性的知識飛躍,客觀和主觀之間的界限不再是完全穩固的。思想來自于電磁脈沖作用下的神經元,其中一些特别活躍,就好像細胞之間有一條短路,在那裡偶然性在起作用。但這些直覺,或人類精神的“花朵”,對每個人來說都不一樣,愛因斯坦的大腦産生了“E=mc2”,而普魯斯特的大腦則提出了一個令人欽佩的比喻。直覺是随機出現的,但這種随機性受到每個人的經驗、文化和知識的制約。

随機性的優勢

這不應該是一個令人震驚的消息,因為有一個現實不是我們自己的智力所能掌握的。沒有随機性,我們就會受到本能和習慣的指引,一切讓我們變得可預測的東西。我們所做的幾乎完全局限于這第一層現實,有普通的關切和必須完成的任務。但還有另一層現實,在這層現實中,明顯的随機性是關鍵特征,任何行政或學術努力都無法取代偉大人物所擁有的機會奇迹。愛因斯坦是創新精神和自由精神的典範,但他仍然保留着自己的偏見。

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愛因斯坦的“第一個錯誤”可以概括為:我拒絕相信宇宙的起源。然而,實驗證明他錯了,他對上帝擲骰子的判決意味着,“我拒絕相信機會”。然而,量子力學包含了強制性的随機性。他的話回避了一個問題,即他是否會在一個沒有機會的世界相信上帝,這将極大地限制我們的自由,因為我們将被限制在絕對決定論中,愛因斯坦頑固地拒絕了。對他來說,人腦應該能夠知道宇宙是什麼。海森伯格謙虛得多,他告訴我們,物理學僅限于描述自然在特定環境下的反應。

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量子理論表明,我們無法完全理解,但它提供了随機性,這帶來了挫折和危險,但也帶來了好處。人類隻能在短暫時間内逃避這個世界的法則。停頓的瞬間,沉思的瞬間,純粹的直覺瞬間,…正是這些閃光,他才有能力成為“超人”。愛因斯坦是一位傳奇的物理學家,是一個富有想象力的完美例子。因此,他對随機性的拒絕是一個悖論,因為随機性使直覺成為可能,允許在科學和藝術中進行創造性的過程。

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