解读《上帝掷骰子吗》7、量子论的不可思议令爱因斯坦都倒戈相向
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解读《上帝掷骰子吗》7、量子论的不可思议令爱因斯坦都倒戈相向

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上期节目,我们说概率诠释、不确定性和互补原理,三者共同构成了哥本哈根解释的核心。

玻恩用概率解释薛定谔波动方程,波动方程这个华丽宝箱中,装着的真正宝藏竟然是骰子。想要描述电子的运动,我们只能使用概率的语言。电子出现的位置是无法确定的,能够预言的只有它出现的概率而已。

在此之前主导人类思绪的叫做决定论,只要给我们足够的信息和运算能力,科学家就是上帝,无所不知。

玻恩告诉我们不是这样的,就算我们掌握了所有的信息,我们也不能预测结果。紧接着,海森堡高举不确定性原理说到,想要获得全部的信息都是不可能的。我们注定只能获得一部分的信息,在获得的同时,另一部分就变得无法确定了。比如位置与动量,时间与能量,像是跷跷板的两头,按下一头,另一头就会翘起。

这并不是因为测量的技术还不够发达,不确定性是世界的内禀属性,永远也无法克服。

波粒二象性

说了玻恩的概率诠释和海森堡的不确定性原理,我们再来看看玻尔的互补原理。他以此终结了持续300多年的波粒战争。

这一出持续了300多年的传奇故事,穿插着物理史上最伟大的那些名字:牛顿、胡克、惠更斯、托马斯·杨、麦克斯韦、普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、德布罗意、薛定谔……不得不说现在我们是进退维谷,一方面,双缝干涉条文毫不含糊的揭示了光的波动性,另一方面光电效应又同样清晰的表明它是粒子。就电子来说,玻尔的跃迁,海森堡的矩阵都强调了它不连续的一面,薛定谔的波动方程又大肆宣扬着它的连续性。

每个人说的似乎都是对的,这该如何是好呢?福尔摩斯有一句至理名言:“当你把一切不可能的结果都排除之后,那么剩下的,不管多离奇,也必然就是事实。”到这里剩下唯一的可能就是:电子既是粒子,也是波!

是的,波粒二象性就是玻尔的看法,这可不是专业高端和稀泥这么简单。经过了几百年的争论,不可否认,一个电子必须由粒子和波两个方面做出诠释,才是完备的。

玻尔所说的波粒二象性,意思是当我们去观测电子的时候,它只表现出一种属性,要么是电子、要么是波。它到底展示出粒子的一面还是波的一面,完全取决于我们怎么去观察它。

诡异的双缝实验

接下来,就要说到那个诡异的电子双缝干涉实验了。上次提到这个实验是用光来做的,一束光通过两条平行的狭缝之后,在墙上投射出明暗相间的干涉条纹。现在还是这两道狭缝,把光换成电子,把背后的墙换成感光屏幕。同样的,还是出现了明暗相间的条文。

现在我们控制发射器,让电子一个一个的穿过狭缝打在感光屏上,请问还会出现干涉条纹吗?我们觉得电子既然是自己穿过狭缝,应该不存在干涉,那就不会有干涉条纹了吧?

确实,单个电子穿过狭缝之后,在感光屏幕上只留下了一个亮点。但是当电子一个接着一个通过双缝之后,一个个的亮点最终竟然还是组成了明暗相间的条纹。单个电子是以粒子的形态穿过狭缝的,可最终在屏幕上的分布却符合波动的规律。它难道真的是同时穿过了两条缝,自己与自己干涉的?但是它落在屏幕上的时候明明是一个点啊。单个电子是怎么知道自己要落在什么位置,以此来满足波动性的呢?

那好,我们在双缝旁边装一个探测器,我要盯着看每一个电子,它到底是怎么穿过狭缝的。探测器没让我们失望,我们亲眼看到了电子一个个从左边或者右边的狭缝穿过,准确无误的展现出了粒子性,但是诡异的事情发生了,电子的波动性消失,感光屏上的干涉条纹没了!这被称之为量子擦除。

还记得我们上期节目所说的吗?在量子的世界中,我们不是独立于客观世界之外的观察者,我们的观察行为本身就在对世界造成扰动。

当关闭探测器,不去观察电子从哪条狭缝穿过,它就展示出波动性,让我们看到干涉条纹。探测器打开,我们看到电子的行动轨迹,它就展示出粒子性。电子的本质到底是粒子还是波?这完全取决于我们怎么观察它,抛开观察手段不谈,根本就没有什么所谓的本质可言。
比方说一匹马,问它是什么颜色?可能我们用肉眼观察它是白色,旁边站着一个色盲朋友,说不对,这匹马是红色的。还有一位带着棕色墨镜的朋友说这匹马是棕色的。

马本来是什么颜色?抛开观测方式,这样的问题毫无意义。你可能觉得色盲和带着有色眼镜怎么能算呢?它当然应该是我们正常人用肉眼观察到的白色啊。那好,人眼的感光范围在400~760纳米之间。这些频段的光混合在一起形成我们所看到的白色。所以这个论断的前提是在这段光谱区的看到的马是白色的。

而蜜蜂看不见波长比黄光还长的光,但是它能看到紫外线。这匹马在它眼中大概率是一种蓝紫色,而且它还能绘声绘色向我们描述一种根本无法想象的紫外色。现在我们就要和蜜蜂争吵起来了,这匹马到底是白色还是蓝紫色的。我们和蜜蜂都是亲眼所见,但这样的争论也是毫无意义的。脱离观测手段,就根本不存在什么所谓的本质。

这匹马又是白色,又是蓝色和电子又是波又是粒子是一样的。这就是玻尔的互补原理想要告诉我们的。

在量子论中,没有外部世界和我之分,我们与客观世界融为一体,彼此影响。这似乎已经上升到一种哲学探讨了。也正如玻尔所说的那样:“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论”

量子论的破坏力是惊人的,概率诠释,不确定性原理和互补原理这三大核心理论,先摧毁了经典世界的因果论,又捣毁了世界的客观性。展示出的新世界如此奇特,难以想象,深深的违背着我们的理性。

首先,不确定性限制了我们对微观事物认知的极限。其次,因为观测者对观测物存在不可避免的扰动,我们与客观世界必须被理解为不可分割的整体。任何事物都只能结合某种特定的观测手段,才谈得上具体的意义。对象所表现出的状态,很大程度上取决于我们的观察方式,这也就互补原理。

最后,量子世界的本质是随机性,传统观点中的因果关系,被统计概率取而代之。

哥本哈根解释

说到这里,可能也有不少同学觉得,就这?那也还行。目前还在自己的射程之内,也不算多惊世骇俗。那好,我们继续深入讨论一下以波尔为首的哥本哈根解释。现在我们对于玻尔口中的不确定性的理解还不够深刻。

打个比方,我现在用筛盅摇一个筛子,摇完之后不打开它。很多同学可能觉得这就是所谓的不确定性。筛子其实已经摇出一个点数了,它是处于确定状态的,只是我们不能确定而已,我们不知道而已,但是如果有上帝的话,上帝一定知道的。这不是哥本哈根学派对量子论的解释。

玻尔的意思是,在我们打开筛盅之前,筛子是没有点数的,它是处于不确定状态的。不仅我们不知道,就连上帝都不知道。筛子是处于一种既是1又是2又是3又是4又是5又是6的叠加状态。

回到双缝干涉实验,如果我们不观测电子,电子就是可以同时通过两条狭缝,因为只有这样它才能知道两条缝的宽度,知道自己要落在干涉条纹的什么地方。电子处于一种能够同时通过左缝和右缝的叠加态。可是一旦我们去观测它,电子的不确定性就消失了,因为观测会得到的一个确定的结果,于是电子就从刚才的叠加态坍缩成只走左边或者只走右边的两个纯态之一。

打个比方,比如我现在在昆明,我手上有一份加密文件,阅读这份文件需要密码本。密码本又被一分为二,一半在北京,一半在上海。它们又是不断变换,实时同步的,所以理论上来说,必须要有两个人同时阅读两本密码本才能解密文件。

但奇怪的是,我没有同伙,就自己一个人,却可以阅读这份文件。这说明什么?说明我既在北京,又在上海,同时看到了两份密码本。根据常识,这是不可能的事情。

你当然觉得不可思议,于是派两个人分别在北京和上海蹲点,守着密码本。结果确实是看到我只出现在北京或者出现在上海。

因为你蹲点,我从既在北京又在上海的叠加态,坍缩成在北京或者在上海的纯态。但同时,我就没办法解密文件了。

这就是玻尔哥本哈根诠释最令人困惑的地方,也是最不符合我们常识的地方。哥本哈根学派对量子论的解释,首先世界的本质是概率性的,不确定性的,我们永远无法准确预测电子出现的位置;其次,一个量子系统在没有测量之前,它处于叠加态;最后,一旦测量,量子系统就从叠加态坍缩成我们观测到的某一纯态。

为什么说量子论是比相对论更加具有冲击力的革命性理论,因为相对论尽管涉及时间与空间的扭曲和变换,但是他的因果观念与牛顿经典力学是一脉相承的,而量子论彻底打破了经典物理学的因果观念和客观实在论。

爱因斯坦的反叛

对于量子论最无法容忍的,当然就是那些坚决捍卫经典物理世界观的人,其中最大的大牌,就是阿尔伯特·爱因斯坦。

对于爱因斯坦来说,一个没有因果律的物理世界是不可接受的,物理学就是应该简单明了,A导致B,B导致C,C导致D,原因结果,环环相扣。依赖随机性,抛弃客观实在,简直不可思议。

虽然他当年提出了光量子假说,为量子论的发展做出了卓越贡献,但现在他站到了量子论的对立面,他要让人们重回因果律的治下。

1927年,青山依旧,几度夕阳。距离1911年的巫师盛会已经过去了16载春秋。这16年间发生了太多的事情,世界大战的爆发迫使科学盛会中断。1927年的第五届索尔维会议毫无疑问有史以来最有名的,物理学大师们齐聚一堂,留下了那张令多少后人唏嘘不已的“物理学全明星梦之队”的世纪照片。这张照片我也放在了公众号本期图文的文稿中。

这一届索尔维会议,嫣然成了爱因斯坦与玻尔两个人的华山论剑,爱因斯坦设计了很多的思想实验对量子论进行攻击。

海森堡后来回忆说,爱因斯坦和玻尔两个人早餐的时候就会见面,爱因斯坦便描绘一个思想实验,指出哥本哈根解释的内部矛盾。在会议休息期间,哥本哈根学派的一帮人就开始讨论分析这个思想实验,在傍晚的时候玻尔心中就已经有数了,他会在晚饭的时候分析给爱因斯坦听。爱因斯坦对这些分析提不出反驳,但心里还是不服气的。

这场华山论剑,爱因斯坦终究还是输了一招。

一弹指三年过去,第六届索尔维会议,两人的第二次华山论剑,爱因斯坦带着他那著名的光箱实验再度来袭,玻尔用爱因斯坦广义相对论中的红移效应完美化解。光箱实验非但没有击倒量子论,反而成了它最好的证明。

两人的对决,爱因斯坦最终还是占了下风,他从最初的全盘否定,变为后来认为量子论是不完备的,量子系统表现出的不确定性是因为还有隐藏变量我们没有发现没有掌握,他始终坚信:“上帝是不掷骰子的!”。

面对浩浩荡荡的历史潮流,爱因斯坦顽强的逆流而上,结果是被冲刷得站立不稳,苦苦支撑。量子论的思潮席卷了整个物理界,毫无保留的指明了未来的方向,越来越多的人领悟了哥本哈根解释的奥义,纷纷皈依量子门下。

爱因斯坦的反动不免令人扼腕叹息。遥想1905年,他横空出世,六次出手,每一次都地动山摇,惊世骇俗。他少年意气,睥睨群雄,那一幅笑傲江湖的传奇画面在多少人心中留下了永恒的神往。

可是,当年那个斩龙少年,长出了龙鳞,站到了新生量子论的对立面。

波恩哀叹道:“我们失去了领袖。”埃仑费斯特气愤的说:“爱因斯坦,你和那些徒劳的想推翻相对论的人处在相同的位置上。”

现在我们当然知道,爱因斯坦错了,上帝真的掷骰子,随机性是世界的基石。全世界的粒子和波都得到了解放,从牛顿和麦克斯韦写好的剧本中挣脱出来,呼吸着自由的空气。他们与观测者玩捉迷藏,在人们背后融化成概率波弥散开来,神秘的相互干涉。当观测者回过头去寻找,他们又现出原形。还好有波动方程和不确定原理规范着他们,统计概率把微观上的无法无天,呈现为宏观上的井井有条。

爱因斯坦与玻尔,这两位20世纪最伟大的科学巨人,他们对于量子论的看法截然对立,以致每一次见面都要为此而争执。

一直到1955年爱因斯坦去世,玻尔也未能说服他,这也是玻尔人生中最为遗憾和念念不忘的事情。他始终在与爱因斯坦的思想做斗争,以至于每当他诞生一个新的想法,首先就会问自己,如果爱因斯坦尚在,他会对此发表什么意见呢?

12年后,就在玻尔去世的前一天,他还在黑板上画了当年爱因斯坦光箱实验的草图,解释给来访者听,而这幅图成为了玻尔留下的最后手迹。

两位科学巨人为各自的信念奋斗了终生,而其他科学家已经很少关心这种争执了。因为在量子论的引导下,科学显得如此朝气蓬勃,它的各个分支给人类带来了伟大的技术革命,从半导体到核能,从激光到电子显微镜,从集成电路到分子生物。量子论已经把它的光辉播撒到人类社会的每一个角落。

不少人觉得,不用在争论量子论的对错了,只要侧目看看身边发生的一切,目光所及,无不是量子论最好的证明。经典物理的因果律与客观实在论,已经无可奈何花落去,只留下一个苍凉的背影和一声深沉的叹息。

好了,今天的节目就是这样了,如果我有帮助到您,也希望您愿意帮助我,一个人能走多远,关键在于与谁同行,我用跨越山海的一路相伴,希望得到您用金钱的称赞。

愿生活中所有的美好都不被辜负,晓店期待您的光临。我是晓书童,我在晓书童频道与您,不见不散。

23条评论
  • 蜀葵suki

    爱因斯坦当然是对的,人类对量子的认知太局限了。
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    2022-01-20 12:28

    1375268txur 回复 @蜀葵suki: 是爱因斯坦打开了潘多拉魔盒,世界终究有一天会为某个极端偏执狂毁掉,这个是我的预言。

  • 听友188111391

    能不能这么来融合,小于原子的微观世界其物理规律符合量子力学原理,大于原子的宏观世界符合经典力学原理?
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    2022-07-04 23:26

    何处琼华0 回复 @听友188111391: 应该这么理解,万物的本质就是一团概率云,物质越小,呈现的波动性就越强,粒子性越弱;反之物质越大,粒子性越强,波动性越弱。就比如人在理论上也有穿墙而过的可能,只是概率小到微乎其微。

  • Edenk

    讲的很好,自己在看这书, 但是理解不了多少。听着就兴趣加倍,理解加倍!不过,这个应该是读骰子(头子)
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    2022-07-23 22:38

    1397861twxz 回复 @Edenk: 他第一集说了,自己知道读头子,但是觉得很奇怪,还是读了色子

  • 1375268txur

    科学的尽头是神学,over
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    2022-06-29 20:56
  • 明天会更好_1hu

    支持爱因斯坦,不确定性就像是当年地心说,日心说,终有一天会被再次推翻。
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    2022-04-09 15:20

    吾乃巴内斯 回复 @明天会更好_1hu: 不确定性其实就是说,人类这副身躯就是有极限的,我们的五感就是有局限性,我们能看到的,听到的对于宇宙来说,范围太小了。 而实用主义就说,我们肉眼凡胎永远看不到的东西,那就是不存在的,比如紫外线,红外线。 有点像阿卡姆剃刀思想了。

  • 我只是极度好奇而已

    我无法理解为什么测不准是本质?无法理解叠加态。
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    2022-02-17 21:53

    和光同尘_7b 回复 @我只是极度好奇而已: 因为任何现象都是正确的,那个马的颜色说的很清晰了

  • MOON爸爸

    感谢分享
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    2022-06-15 08:03
  • 迷人的牛粪

    概率论,不确定性,互补原理
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    2022-05-23 07:10
  • 列坐公交

    不好理解呀
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    2022-04-08 14:15
  • 1375268txur

    当科学和时代一起进行下去的时候,以前对的会变成错的,这是必然的结果。所以只有认知不到位,科学本身就没有对错,对错只是人类认为的对错。
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    2022-06-29 20:59