爱因斯坦,20世纪最伟大的物理学家,无人不知无人不晓。
在他眼中,世界是遵循着精确规律运转的宏大机器,只要掌握了足够的信息和物理定律,万事万物的运动轨迹和未来发展都能被精准预测,量子世界自然也不应例外。
他秉持着决定论的观点,坚信宇宙的一切现象都有其必然的因果联系,不存在真正意义上的随机。
然而,以玻尔为首的哥本哈根学派却带来了截然不同的声音,他们认为量子世界充满了不确定性和随机性,只能用概率来描述微观粒子的行为。
这种观点与爱因斯坦的理念形成了激烈的碰撞,引发了一场持续近百年的科学大争论。
为了更好地理解这场争论,我们先来认识一下量子世界中令人匪夷所思的不确定性。
在日常生活里,我们常提及的随机事件,其实并非真正的随机。
以彩票摇奖为例,从理论上讲,倘若我们能够精确知晓摇奖机器每个零部件的运动速度、角度、摩擦力,以及摇奖过程花费的时间、空气阻力、湿度、温度等所有因素,那么中奖号码是可以被准确预知的。
只不过,在现实中,如此繁杂的信息难以全部获取,所以我们将其视为随机事件。同样,电脑游戏里随机开的宝箱、掉落的装备,本质上也都基于特定算法,并非真正的随机。
但微观世界中的微观粒子表现却截然不同。
科学家们发现,无论采用何种测量手段,都无法同时精确获取微观粒子的位置和速度。
更为神奇的是,微观粒子竟然能够同时出现在两个不同的地方,这一现象彻底颠覆了我们基于宏观世界所形成的传统认知和世界观。
德布罗意提出的物质波概念认为,万物皆具有波动性和不确定性,只是在宏观世界里,物体质量较大,波动性和不确定性难以显现,更多地表现出粒子性和确定性。
例如,从物质波理论角度分析,虽然此刻坐在沙发上阅读文章的你,理论上有极其微小的可能性同时出现在月球上,但这种可能性小到在现实中完全可以忽略不计。
面对量子世界这些超乎想象的特性,爱因斯坦难以接受。他不仅抛出 “上帝不会掷骰子” 这一论断,还发出 “当我们不看月亮时,难道月亮就不在那里吗?” 的质疑。
而玻尔则回应道:“你不看月亮,怎么知道月亮就在那里呢?” 玻尔的回答看似带有诡辩色彩,却也从侧面反映出量子世界的诡异与独特。在量子世界里,如果将月亮视为微观粒子,那么在未对其进行观测时,它的确可能处于任何位置,其状态是不确定的。只有当我们进行观测时,波函数发生坍缩,月亮的位置才得以确定。
那么,这场争论的核心究竟是什么呢?
简而言之,就是所谓的量子世界的随机,到底是真正的随机,还是由于存在尚未被人类发现的某些隐变量,从而给我们造成了随机的错觉。
为了探寻真相,科学家们开展了大量实验。随着实验的推进,越来越多的证据表明,至少在目前的认知范围内,爱因斯坦的观点是错误的,以玻尔为首的哥本哈根学派的观点得到了更多的支持。
这意味着微观世界里微观粒子的运动确实是真正的随机,我们只能运用概率去描述它们的运动规律,并且这种随机性与我们的观测手段无关,也并非源于人类知识的欠缺和认知的不足,它是量子世界的本质属性,是波粒二象性的直接体现。
量子力学中的不确定性原理,又称测不准原理,由海森堡于 1927 年提出。
该原理表明,一个微观粒子的某些物理量(如位置和动量,或方位角与动量矩,还有时间和能量等),不可能同时具有确定的数值,其中一个量越确定,另一个量的不确定程度就越大。
例如,当我们试图精确测量一个粒子的位置时,其动量的不确定性就会增大;反之,若想精确测定粒子的动量,其位置的不确定性就会增加。
这并非是由于测量技术的局限,而是微观世界的内在本质所决定的。不确定性原理从根本上动摇了经典物理学所秉持的确定性和连续性观念,为我们认识微观世界开辟了全新的视角。
从更深层次来看,量子世界的不确定性对我们理解宏观世界也有着深远的影响。
既然宏观世界是由微观粒子构成,那么从理论上讲,宏观世界也应该具有不确定性。只是由于宏观物体的质量相对微观粒子极大,这种不确定性被平均化和弱化,在我们日常的感知中难以察觉。
但在某些特定的物理现象和实验中,宏观世界的量子效应仍然能够显现出来,如超导现象、量子隧穿效应等。
超导现象中,某些材料在极低温度下电阻突然消失,电流可以无损耗地流动,这一现象无法用经典物理学来解释,而需要用量子力学中的电子配对等理论来理解。
量子隧穿效应则描述了微观粒子有一定概率穿越高于其自身能量的势垒的现象,在半导体器件、扫描隧道显微镜等领域有着重要应用,它也体现了宏观世界在微观尺度下所展现出的量子不确定性。
爱因斯坦的 “上帝不会掷骰子” 虽然在量子力学的发展历程中被证明与实验观测结果不符,但这并不影响他在科学史上的伟大地位。
他对量子力学的质疑和思考,极大地推动了量子理论的发展和完善。正是在与爱因斯坦等科学家的争论中,哥本哈根学派不断深化和拓展对量子世界的认识,使得量子力学逐渐成为现代物理学的重要基石之一。