先说结论:爱因斯坦说这话想表达的就是,任何事物发展变化都是有规律的。
“上帝不会掷骰子”中的上帝,爱因斯坦实际上指的是自然规律。因为爱因斯坦一直反对人格化的上帝,也就是这个世界没有一个指手画脚的上帝,物化的上帝就是规律。规律是不会乱来的,任何人和事物都不能违背自然规律。这就是爱因斯坦说这句话的潜台词。
爱因斯坦这句话是在一次科学峰会上,针对哥本哈根诠释来说的。
何谓哥本哈根诠释?
简单地说,就是上世纪二三十年代,一些量子力学的研究者们,发现了量子世界有很多与经典宏观世界不一样的奇异特性,如:无法精准测量微观粒子的动量和位置,也就是所谓不确定性原理;一个系统的量子态可以用波函数来描述,但这只是概率描述,观测会导致波函数坍缩;粒子具有波粒二象性,但不能同时展现两种行为;量子纠缠的超距瞬时作用等等。
在这些发现的基础上,建立了一系列量子力学理论,促进了量子力学的飞速发展。创立这些理论的大师主要有波尔、海森堡、波恩、泡利等,这些有着共同理念和志向的科学家,聚集在在丹麦首都哥本哈根大学讨论和研究,形成了一个学派,人们后来就把这个学派叫做哥本哈根派,而把他们提出的量子力学理论叫做哥本哈根诠释。
爱因斯坦代表的经典学派与哥本哈根派的争论
在当时,哥本哈根诠释违背了经典理论和人们平常观测到的一些常识,因此不但民间理解不了,就连一些著名的科学家也无法接受,爱因斯坦和薛定谔就是这些物理学家们的代表。
爱因斯坦和薛定谔都是量子力学的创始人,爱因斯坦获得诺贝尔物理学大奖的论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》,就是量子力学开创性的一个理论。这篇论文论证了光具有粒子性又具有波动性,揭示了固体受光照射发射电子的光电效应,以及麦克斯韦场的连续性与粒子分离性之间的矛盾,在此基础上,提出了光量子假说。
爱因斯坦的光量子学说,支持了普朗克的能量量子化理论,成为量子理论发展的一个重要里程碑。
而薛定谔同样是重要的量子力学奠基人。他建立了波动力学和薛定谔方程,是量子力学中描述微观粒子运动状态的基本理论。由此,薛定谔在量子力学中的地位相当牛顿运动定律在经典力学里的地位。
爱因斯坦就是针对哥本哈根诠释提出“上帝不会掷骰子”的。他认为,之所以现在无法精准测量和预测微观粒子的一些运动状态,是因为其中有一些隐藏着的“隐变量”还没有被发现,因此,这些理论是不完备的。通俗地说,就是爱因斯坦认为,量子理论还是一个不完备的半拉子理论,还有许多深层次规律没有揭示出来,所以才会有一些奇异现象无法解释。
由此,“上帝不会掷骰子”的意思就很明确了,就是说规律这个“上帝”不会随机乱点鸳鸯谱,微观世界的一些现象也有其遵从的自然客观规律,只要找到还没有弄清楚的那些“隐变量”,这些奇异现象就会变得可以理解和预见了。
薛定谔的猫
作为爱因斯坦的同盟军,薛定谔弄了个“薛定谔的猫”思维实验,想以此来讽刺哥本哈根诠释的荒谬。这个著名的“猫”实验大致意思是:将一只可怜的猫关在一个密闭的盒子里,人们看不到它。而在盒子里有一个装着毒气的玻璃瓶,这瓶毒气上面悬着一个铁锤,这个铁锤受某放射性元素的开关制约。当放射性元素发射出粒子,就会启动开关铁锤落下砸碎毒气瓶,猫就必死无疑。
但放射性元素各有50%机会放出或不放出粒子,于是,盒子里的猫是死是活人们是不知道的,只有打开盒子才能够看到,猫或者死了,或者活着。这是人们的一般常识,只有打开盒子,才知道猫的死活。
而哥本哈根派认为,如果在微观世界,没有打开盒子前,猫是处于死和活的叠加态(波函数概率),只有打开盒子那一瞬间,才决定了猫的死活,也就是所谓波函数坍塌,量子回归本征态。
这个实验争论的焦点是,猫是在没有打开前就已经决定了死活,还是打开盒子那一瞬间才决定了死活。经典物理学派认为这只猫在没打开盒子前,早就生死已定,这是基本常识;而哥本哈根派则认为,没打开盒子,猫处于又死又活的状态,只有打开盒子才决定了猫的生死,这是微观粒子的特性。
哥本哈根派认为,这只猫实验的根本错误在于,人们用宏观世界的常识来判断微观世界的特性。
贝尔不等式让争论告一段落
经典物理学派与哥本哈根派双方的论战,理论很复杂,深奥而专业性强,超出了科普范围,这里就不细表了。反正是他们谁也没有说服谁,争论了几十年,一直到爱因斯坦1955年逝世,也没有争出个子丑寅卯。
那么量子力学到底是不是一个完备的理论,是否需要额外隐藏的变量来解释?一直到1964年,英国物理学家约翰·斯图尔特·贝尔发表了裁决性的“贝尔不等式”,这些争论才告一段落。这个贝尔不等式证明了定域性隐变量是不存在的,由此支持了哥本哈根诠释,从此哥本哈根诠释成为量子力学的正统理论,也宣告了爱因斯坦、薛定谔等的想法是错误的。
不过,这时薛定谔也于1961年去世了,不知道他们二位如果泉下有知,会不会服气。或许还会不服,因为这个贝尔不等式只是证明了定域性隐变数不可能存在,非定域性隐变数诠释依然没有被推翻。有意思的是,贝尔开始做这个不等式时,是为了证明隐变数的存在,因为他支持爱因斯坦们的理论。
但科学不是凭个人想象或喜好可以随意改变的,贝尔愿赌服输,得到了与自己期望相反的结论。这就是科学精神。
贝尔不等式列出来很简单(见上图),但论证的过程很复杂,贝尔从酝酿到提出论文,花费了几年时间,才形成的一个定理。该定理的主要内容,是在定域性和实在性的双重假设下,对于两个分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度,建立了一个严格的限制。
这个理论论证逻辑性很强,得到了科学界的普遍认同,因此才能够成为量子力学大争论的判决书。贝尔不等式其中深奥的数理论证过程,我这个半瓶子醋就不卖弄了。
上帝到底会“掷骰子”吗?
总之,爱因斯坦在与哥本哈根派的论战中,暂时输了,也就是说,在量子世界似乎真的存在着“上帝掷骰子”现象,也就是随机性概率性很大。这也是一些人认为量子有意识,从而把量子力学引向玄学、神学的原因。
但是,在宏观世界,“上帝不会掷骰子”的结论是正确的,规律主导着一切。科学就是科学,我相信随着研究的深入,量子力学一定会发现更多深层次的机制。非定域性隐变量到底存不存在呢?爱因斯坦在这个争论中还有没有翻盘的机会呢?还需拭目以待。
这就是所谓“上帝不会掷骰子”的来龙去脉,不知道说清楚了没有,欢迎讨论,感谢阅读。
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