先說結論:愛因斯坦說這話想表達的就是,任何事物發展變化都是有規律的。
“上帝不會擲骰子”中的上帝,愛因斯坦實際上指的是自然規律。因為愛因斯坦一直反對人格化的上帝,也就是這個世界沒有一個指手畫腳的上帝,物化的上帝就是規律。規律是不會亂來的,任何人和事物都不能違背自然規律。這就是愛因斯坦說這句話的潛臺詞。
愛因斯坦這句話是在一次科學峰會上,針對哥本哈根詮釋來說的。
何謂哥本哈根詮釋?
簡單地說,就是上世紀二三十年代,一些量子力學的研究者們,發現了量子世界有很多與經典宏觀世界不一樣的奇異特性,如:無法精準測量微觀粒子的動量和位置,也就是所謂不確定性原理;一個系統的量子態可以用波函數來描述,但這只是概率描述,觀測會導致波函數坍縮;粒子具有波粒二象性,但不能同時展現兩種行為;量子糾纏的超距瞬時作用等等。
在這些發現的基礎上,建立了一系列量子力學理論,促進了量子力學的飛速發展。創立這些理論的大師主要有波爾、海森堡、波恩、泡利等,這些有著共同理念和志向的科學家,聚集在在丹麥首都哥本哈根大學討論和研究,形成了一個學派,人們后來就把這個學派叫做哥本哈根派,而把他們提出的量子力學理論叫做哥本哈根詮釋。
愛因斯坦代表的經典學派與哥本哈根派的爭論
在當時,哥本哈根詮釋違背了經典理論和人們平常觀測到的一些常識,因此不但民間理解不了,就連一些著名的科學家也無法接受,愛因斯坦和薛定諤就是這些物理學家們的代表。
愛因斯坦和薛定諤都是量子力學的創始人,愛因斯坦獲得諾貝爾物理學大獎的論文《關于光的產生和轉化的一個試探性觀點》,就是量子力學開創性的一個理論。
這篇論文論證了光具有粒子性又具有波動性,揭示了固體受光照射發射電子的光電效應,以及麥克斯韋場的連續性與粒子分離性之間的矛盾,在此基礎上,提出了光量子假說。
愛因斯坦的光量子學說,支持了普朗克的能量量子化理論,成為量子理論發展的一個重要里程碑。
而薛定諤同樣是重要的量子力學奠基人。他建立了波動力學和薛定諤方程,是量子力學中描述微觀粒子運動狀態的基本理論。由此,薛定諤在量子力學中的地位相當牛頓運動定律在經典力學里的地位。
愛因斯坦就是針對哥本哈根詮釋提出“上帝不會擲骰子”的。他認為,之所以現在無法精準測量和預測微觀粒子的一些運動狀態,是因為其中有一些隱藏著的“隱變量”還沒有被發現,因此,這些理論是不完備的。通俗地說,就是愛因斯坦認為,量子理論還是一個不完備的半拉子理論,還有許多深層次規律沒有揭示出來,所以才會有一些奇異現象無法解釋。
由此,“上帝不會擲骰子”的意思就很明確了,就是說規律這個“上帝”不會隨機亂點鴛鴦譜,微觀世界的一些現象也有其遵從的自然客觀規律,只要找到還沒有弄清楚的那些“隱變量”,這些奇異現象就會變得可以理解和預見了。
薛定諤的貓
作為愛因斯坦的同盟軍,薛定諤弄了個“薛定諤的貓”思維實驗,想以此來諷刺哥本哈根詮釋的荒謬。這個著名的“貓”實驗大致意思是:將一只可憐的貓關在一個密閉的盒子里,人們看不到她。而在盒子里有一個裝著毒氣的玻璃瓶,這瓶毒氣上面懸著一個鐵錘,這個鐵錘受某放射性元素的開關制約。當放射性元素發射出粒子,就會啟動開關鐵錘落下砸碎毒氣瓶,貓就必死無疑。
但放射性元素各有50%機會放出或不放出粒子,于是,盒子里的貓是死是活人們是不知道的,只有打開盒子才能夠看到,貓或者死了,或者活著。這是人們的一般常識,只有打開盒子,才知道貓的死活。
而哥本哈根派認為,如果在微觀世界,沒有打開盒子前,貓是處于死和活的疊加態(波函數概率),只有打開盒子那一瞬間,才決定了貓的死活,也就是所謂波函數坍塌,量子回歸本征態。
這個實驗爭論的焦點是,貓是在沒有打開前就已經決定了死活,還是打開盒子那一瞬間才決定了死活。經典物理學派認為這只貓在沒打開盒子前,早就生死已定,這是基本常識;而哥本哈根派則認為,沒打開盒子,貓處于又死又活的狀態,只有打開盒子才決定了貓的生死,這是微觀粒子的特性。
哥本哈根派認為,這只貓實驗的根本錯誤在于,人們用宏觀世界的常識來判斷微觀世界的特性。
貝爾不等式讓爭論告一段落
經典物理學派與哥本哈根派雙方的論戰,理論很復雜,深奧而專業性強,超出了科普范圍,這里就不細表了。反正是他們誰也沒有說服誰,爭論了幾十年,一直到愛因斯坦1955年逝世,也沒有爭出個子丑寅卯。
那么量子力學到底是不是一個完備的理論,是否需要額外隱藏的變量來解釋?一直到1964年,英國物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾發表了裁決性的“貝爾不等式”,這些爭論才告一段落。這個貝爾不等式證明了定域性隱變量是不存在的,由此支持了哥本哈根詮釋,從此哥本哈根詮釋成為量子力學的正統理論,也宣告了愛因斯坦、薛定諤等的想法是錯誤的。
不過,這時薛定諤也于1961年去世了,不知道他們二位如果泉下有知,會不會服氣。或許還會不服,因為這個貝爾不等式只是證明了定域性隱變數不可能存在,非定域性隱變數詮釋依然沒有被推翻。有意思的是,貝爾開始做這個不等式時,是為了證明隱變數的存在,因為他支持愛因斯坦們的理論。
但科學不是憑個人想象或喜好可以隨意改變的,貝爾愿賭服輸,得到了與自己期望相反的結論。這就是科學精神。
貝爾不等式列出來很簡單(見上圖),但論證的過程很復雜,貝爾從醞釀到提出論文,花費了幾年時間,才形成的一個定理。該定理的主要內容,是在定域性和實在性的雙重假設下,對于兩個分隔的粒子同時被測量時其結果的可能關聯程度,建立了一個嚴格的限制。
這個理論論證邏輯性很強,得到了科學界的普遍認同,因此才能夠成為量子力學大爭論的判決書。貝爾不等式其中深奧的數理論證過程,我這個半瓶子醋就不賣弄了。
上帝到底會“擲骰子”嗎?
總之,愛因斯坦在與哥本哈根派的論戰中,暫時輸了,也就是說,在量子世界似乎真的存在著“上帝擲骰子”現象,也就是隨機性概率性很大。這也是一些人認為量子有意識,從而把量子力學引向玄學、神學的原因。
但是,在宏觀世界,“上帝不會擲骰子”的結論是正確的,規律主導著一切。科學就是科學,我相信隨著研究的深入,量子力學一定會發現更多深層次的機制。非定域性隱變量到底存不存在呢?愛因斯坦在這個爭論中還有沒有翻盤的機會呢?還需拭目以待。
這就是所謂“上帝不會擲骰子”的來龍去脈,不知道說清楚了沒有,歡迎討論,。
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