“上帝不会掷骰子”在整个科学史上是极其著名的一句话,这句话实际上是爱因斯坦用来反驳物理学家波尔关于量子力学的解释。那具体是咋回事呢?
今天,我们就来聊一聊这个话题。
光学的发展
在自然界中,我们平时能够接触到的其实也就是声、光、电、力、热这些现象。而各个时代的学者都会对这些现象进行诠释。只不过,光学的内容一直以来就属于分歧是最大的一类。在古希腊时期,就有学者认为人之所以能够看到东西,是因为人的眼睛会发光。后来,到了阿拉伯文明这里,这个观点被一位阿拉伯研究光学的学者纠正过来,他认为人可以看到东西,是因为这个东西反射光或者本身发光,光进入到眼睛当中,我们才能看到。
然而就光学而言,最难的其实不是这个。而是哲学三问中的第一问,光到底是什么?
牛顿作为科学史上可以跻身前二的大神,他就提出:光是一种粒子。这个观点写到了他的著作《光学》当中,这本书也被视为光学的奠基之作。由于他的江湖地位和声望,他的这个观点其实统治了整个学术圈相当长的时间。
其实就在牛顿的同时代,也有一些学者提出,光其实是一种波,类似于水波。
赞成这种观点的学者也是鼎鼎大名,他就是惠更斯,也有很大的科学成就。除此之外,还有牛顿的死对头胡克也认为光是一种波。但是他们的声量确实比不过牛顿。牛顿之后,有个叫做托马斯杨的学者做了一个科学史上最诡异的实验:杨氏双缝干涉实验。这个实验似乎又在说明光是一种波。
但这也就算了,麦克斯韦等人直接就在理论上统一了电和磁的现象,并预言电磁波的存在,光是一种电磁波。
也就是说,牛顿之后,爱因斯坦之前被认为是最伟大的物理学家的麦克斯韦认为光是一种波,他就和牛顿的观点是矛盾的。
由于麦克斯韦是那个时代的“牛顿”,“光的波动说”成为了那个时代的主流,也就是说,光是一种波。看起来,好像麦克斯韦一锤定音了,但没多久,事情发生了反转。如果假设光是一种波,也会遇到一些麻烦。这个麻烦叫做黑体辐射。那什么是黑体辐射呢?
量子力学
这里其实我们不需要完全搞懂黑体辐射,我们只需要知道当时有个物理学教叫做普朗克,受了委托,在研究电灯泡为什么会发黄光?而黑体辐射其实就是他研究这个问题的一个理想模型。
他在研究时就发现一个问题,按照麦克斯韦的理论,那我们就需要假设“能量是连续”。但是如果是这样,那理论预言总是实际会有很大的出路,这个误差大到完全无法拟合的程度。
后来,普朗克受到另外一个物理学家玻尔兹曼的启示,假设能量并不是连续的,而是一份份的,也就是说,能量存在这最小的基本单位,他把这个称为量子。这时候得到的理论就可以和实验结果很好地拟合在了一起。
其实普朗克本人是不太赞同这个观念的,但结果就是这样,他也只能接受。他的发现让我们明白一个道理,任何的变化其实都存在着一个最小的单位,比如,距离和时间。任何变化都在以这个的整数倍来变化,而不是小于这个普朗克尺度。
除此之外,微观世界也是存在着最小的单位的。这个似乎也是在复活“光的粒子说”。这又把光的波粒大战挑了起来。而随之而来的就是量子力学的蓬勃发展。我们直接说最终科学家的争论焦点到底是什么?
还是要回到刚才上文提到的双缝干涉实验上。但是科学家就发现,如果实验采用电子来做,那么电子穿过双缝之后,也会有干涉条纹,就是下图中上面的样子。但如果我们在双缝的部位叫上摄像头来观测,这时候我们就得到了下图中下面的样子。
说白了,就是我们观测和不观测,最终得到的实验结果是不同的。这是不是神奇?
如果你是面对这样的问题,你会如何思考呢?
科学家也是挠破了头,他们其实最纠结的地方是电子在穿过双缝时是什么状态?
当时有一个著名的哥白哈根学派,领军人物就是波尔。他们认为电子在通过双缝前,在双缝之前的所有位置,以概率云的形式来描述,因此,在通过双缝时,会出现的是干涉条纹,其实就是概率分布。
如果我们用摄像头观测时,电子就会锁定在某个位置上,因此,出现的是两个条纹。
爱因斯坦认为这个说法简直是忽悠,因为这相当于是说,当电子要达到屏幕前,电子自己都不知道自己会落到哪,只有到了要达到的那一刻,好像是掷了一下骰子,选了一个地方落上去。这种概率性的解释是他无法接受的,因此,他反驳波尔说:上帝不会掷骰子。
而波尔也反击到:爱因斯坦,不要指挥上帝如何做。
爱因斯坦和波尔的论战是20世纪科学史上最著名的一段争论,在这场争论中,量子力学不断地得到了完善。如今,我们来看这个问题,其实爱因斯坦坚持认为应该是有个确定的客观规律来描述电子的轨迹,只是我们还不知道其中的机制。他的这个看法已经被实验给否定了。除了爱因斯坦的想法和哥本哈根解释,其实还有许多解释,比如,平行宇宙理论等等,
在相当长的一段时间,哥本哈根解释确实是主流的理论,但是近些年的一些实验,也发现了这个解释也是有瑕疵的。所以,其实量子力学如今还在发展和完善。