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为什么爱因斯坦会说上帝不掷骰子?原来这是用来吵架的

2020-04-11 作者:

“上帝不会掷骰子”是整个科学史上一个极其著名的句子。这句话实际上被爱因斯坦用来反驳物理学家玻尔对量子力学的解释。到底发生了什么?

今天,让我们来谈谈这个话题。

光学的发展

在自然界中,我们平时能接触到的实际上是声音、光、电、力和热。各个年龄段的学者都会解释这些现象。然而,光学的内容一直属于差异最大的范畴。在古希腊,一些学者认为人们之所以能看见东西是因为人们的眼睛发亮。后来,当我们到达阿拉伯文明时,一位研究光学的阿拉伯学者纠正了这一观点。他认为人们能看见事物是因为事物反射光或自身发光。只有当光进入眼睛时,我们才能看见。

然而,就光学而言,这并不是最困难的事情。但是三个哲学问题中的第一个,什么是光?

牛顿作为科学史上排名前两位的大神,提出了光是粒子的观点。这一观点写在他的著作《光学》中,该书也被认为是光学的基础著作。由于他在江湖上的地位和威望,他的观点在相当长的一段时间内实际上主导了整个学术界。

事实上,在牛顿的同时代,一些学者也提出,光实际上是一种波,类似于水波。

支持这一观点的学者也很有名。他是惠更斯,取得了巨大的科学成就。此外,牛顿的对手胡克也认为光是一种波。但是它们的音量没有牛顿的好。继牛顿之后,一位名叫托马斯·杨的学者做了科学史上最奇异的实验:杨氏双缝干涉实验。这个实验似乎表明光又是一种波。

但这也算,麦克斯韦等人在理论上直接统一了电和磁的现象,并预言了电磁波的存在,光就是电磁波。

换句话说,被认为是牛顿之后爱因斯坦之前最伟大的物理学家的麦克斯韦认为光是一种波,他反驳了牛顿的观点。

由于麦克斯韦是那个时代的“牛顿”,所以“光波理论”成为那个时代的主流,也就是说,光是一种波。看起来好像麦克斯韦是最终的仲裁者,但没过多久事情就有了转机。如果我们假设光是波,我们也会遇到一些麻烦。这种麻烦被称为黑体辐射。什么是黑体辐射?

量子力学

事实上,我们不需要完全理解黑体辐射。我们需要知道的是,有一位名叫普朗克的物理老师,他被委托研究为什么灯泡会变黄。黑体辐射实际上是他研究这个问题的理想模型。

他在研究中发现了一个问题。根据麦克斯韦的理论,我们需要假设“能量是连续的”。然而,如果是这样的话,理论预测在实践中总是有很大的出路,而且这个误差太大了,根本无法拟合。

后来,普朗克受到另一位物理学家玻尔兹曼的启发,他认为能量不是连续的,而是部分的,也就是说,有最小的基本能量单位,他称之为量子。此时得到的理论与实验结果吻合得很好。

事实上,普朗克本人并不完全同意这个想法,但结果是他只能接受它。他的发现让我们明白了一个事实,任何变化实际上都有一个最小单位,比如距离和时间。任何变化都是它的整数倍,不小于普朗克尺度。

此外,微观世界中也有最小的单位。这似乎在复兴“光的粒子理论”。这又引发了光的波粒战争。下面是量子力学的蓬勃发展。让我们来说说科学家们争论的最终焦点是什么?

我仍然想回到上面提到的双缝干涉实验。然而,科学家们发现,如果实验是由电子进行的,那么在电子穿过双缝后会出现干涉条纹,这是下图中上部的外观。但是如果我们叫一个照相机来观察双缝,那么我们会得到下面的图片。

坦率地说,如果我们观察和不观察,最终的实验结果是不同的。这很神奇吗?

如果你面临这样的问题,你会怎么想?

科学家们也挠了挠头。他们最关心的是电子通过双缝时处于什么状态。

那时,有一个著名的哥本哈根学派,其领袖是玻尔。他们认为电子在穿过双缝之前和双缝之前的所有位置都是以概率云的形式描述的。因此,当通过双缝时,会出现干涉条纹,这实际上是概率分布。

如果我们用照相机观察,电子会被锁定在某个位置,所以有两条条纹。

爱因斯坦认为这种说法是愚蠢的,因为它相当于说,当电子到达屏幕时,电子不知道它会落在哪里,只有当它到达屏幕的那一刻,它似乎在掷骰子并选择一个下落的地方。这种概率性的解释对他来说是不可接受的,所以他反驳玻尔说,“上帝不会掷骰子。”

玻尔也反驳道:爱因斯坦,不要命令上帝怎么做。

爱因斯坦和玻尔之间的争论是20世纪科学史上最著名的一场争论,在这场争论中,量子力学得到了不断的改进。现在,让我们来看看这个问题,事实上爱因斯坦坚持认为应该有一个明确的客观规律来描述电子的轨迹,但我们不知道其机理。他的这一观点已被实验所否定。除了爱因斯坦的想法和哥本哈根的解释,实际上还有许多解释,比如平行宇宙理论等等。

很长一段时间以来,哥本哈根解释确实是主流理论,但近年来的一些实验也发现,这种解释是有缺陷的。因此,事实上,量子力学仍在发展和改进。

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