愛因斯坦與量子力學:從挑戰到新見解的百年旅程

2025年04月12日15:42:05 科學 1614

作為20世紀最傑出的物理學家,愛因斯坦的每個言論和行動都備受矚目,特別是他對新量子力學的持續質疑,這引起了學術界廣泛的討論。

在20世紀,與相對論齊名的另一個重要理論便是量子力學。

量子力學誕生的標誌是1900年普朗克首次提出的能量量子化理念。1905年,基於能量量子化的理念,愛因斯坦提出了光量子假設,極大地推動了量子力學的前進。

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普朗克和愛因斯坦可視為量子力學的先驅。他們同時被認為是舊量子理論的奠基人。隨後,量子力學的發展權力逐漸移交給以玻爾為首的哥本哈根學派。此外,解釋微觀世界的理論還包括多宇宙理論。哥本哈根學派與多宇宙理論統稱為新量子理論。不過,哥本哈根學派的影響顯著超過後者。本文提及的新量子理論特指哥本哈根學派。

在正文開始前,必須指出,雖然愛因斯坦對新量子論的質疑現在看來是錯誤的,但他的質疑無疑也促進了新量子論的進一步發展。

本文資料主要來源於愛因斯坦的文集及其官方談話記錄。作者僅從愛因斯坦的視角探討量子力學發展的波折,並不是為了為愛因斯坦辯護。

1905年,愛因斯坦首次將量子概念用於解釋光電效應,提出了光量子的概念。這一新理論的提出,令物理學家們震驚,他們不得不感慨新理論在首次亮相時便顯示出的銳利,解決了人類長久以來關於光的本質的困惑。

儘管當時(1905年)電子已被發現,但對原子內部的理解仍停留在湯姆森的西瓜模型上。

人們已經知道原子由帶正電和帶負電的粒子組成,並且整個原子呈電中性,因此推測原子內的正負電荷必須恰好相抵消。自然地,人們想像原子內部的正負電荷均勻分布於原子之中,如同西瓜中的西瓜籽那般。這正是湯姆森原子模型的精髓。

直到1909年,盧瑟福通過α粒子散射實驗發現,原子內存在一個大質量的正電核,佔據了原子總質量的絕大多數,而原子核外的空間中散布著電子。這一發現促使盧瑟福提出了原子的行星模型,將電子視為繞著原子核旋轉的行星。

與此同時,人們發現行星模型有一個顯著的缺陷:繞核旋轉的電子由於加速度必然會釋放能量,從而導致其軌道逐漸降低,最終墜入原子核。這樣的情況下,原子核外不可能再存在電子,那麼為何我們仍能觀察到電子存在呢?這正是行星模型的致命弱點。

無論是湯姆森還是盧瑟福,他們都在用經典物理的方法來解釋原子模型。對此,愛因斯坦是持讚賞態度的。直到玻爾開始用量子概念解釋原子模型,情況才真正變得複雜。

玻爾提出,電子在原子核外的軌道應當分為不同的能級,電子在釋放能量時會跳躍到較低能級,吸收能量則跳至較高能級。

這種解釋首次使得電子的運動顯得不可思議。人們不僅不清楚電子如何躍遷,還不明白為何電子沒有固定軌道。

隨著量子力學的進展,物理學家逐漸認識到對於單個電子,無法同時確定其速度與位置,只能用波數和振幅來描述其軌道。

在1926年,海森堡與愛因斯坦的對話中,海森堡向愛因斯坦闡述了一個觀點:我們不能準確地測量出電子的運動參數,例如其確切的位置和速度。但我們可以通過概率來描述這些電子的行為,儘管這種描述看起來很粗略,但這仍屬於科學的範疇。因為即使在經典物理學中,我們也經常用波數和振幅來表達某些物理量。

愛因斯坦卻不認同這種看法,他認為這只是理論發展中的一個過渡階段。他的觀點是,我們目前無法完全了解電子的實際運動,但這並不意味著我們無法做到。

他舉了一個例子,就像我們無法精確預測天氣一樣,並非因為天氣沒有規律,而是因為我們無法記錄下每一個空氣分子的運動和相互作用。如果能夠做到這一點,那麼天氣預報就能達到精確無誤。霧霾粒子進行布朗運動,並不意味著自然界無規律可循,只是因為我們不了解每個霧霾粒子間的撞擊力度和方向,才不得不用布朗運動來描述。

在1927年第五次索爾維會議上,愛因斯坦再次表達了類似的觀點。在他看來,使用電子云來描述電子軌道並不反映電子的真實運動情況。

哥本哈根學派傾向於使用概率來粗略描述一群電子的運動規律,而不能準確描述單個電子的實際運動。這隻說明量子力學還不夠完善,一個完備的量子理論應能精確描述單個電子的運動。

愛因斯坦作為物理實在論的堅定支持者,無法接受哥本哈根學派對電子運動的詭異解釋。

玻爾對愛因斯坦的反駁十分直接:電子的行為只能用概率波描述,並不是因為我們的能力有限,而是因為這是自然界的本質。

愛因斯坦對此感到非常不滿,他認為自然界的現象應該是確定的、精確的。用概率來描述自然現象只是因為人們在研究微觀粒子時的一種無奈之舉,雖然這種方法可能涉及到概率統計,但背後的自然現象絕不應該是難以捉摸的概率波。

在1919年,愛因斯坦曾向玻恩寫信表達自己的看法,他認為我們應該為新量子論的成功感到羞愧,因為他們的靈感來源於耶穌會的座右銘:「不可讓你的左手知道你的右手所做的事」。如果新量子論真如所描述,那麼自然世界就變得無法確定了。愛因斯坦不相信我們無法精確預測電子的運動就意味著它具有自由意志

1926年,在給玻恩的另一封信中,愛因斯坦強調他堅信上帝不擲骰子,表達了他對量子力學隨機性的強烈不滿。

1924年,在給貝索的信中,愛因斯坦表達了自己對量子力學堅持的看法是正確的,暗示玻爾等人可能誤入歧途。

1949年給貝索的信中,愛因斯坦表示,他不是反對使用概率統計方法來定量分析微觀粒子的運動,而是反對將這種不確定的概率視為自然世界應有的本質。

愛因斯坦的時間並未空閑,在量子糾纏問題上,他提出了一個假設:觀察糾纏粒子的一個同時知道另一個粒子的信息,並不涉及任何神秘的超距作用。就像隨機向兩個盒子中放入一雙手套,將一個盒子放在房間里,另一個帶到南極。如果在房間打開盒子發現是左手套,那麼同時也能知道南極的盒子中是右手套,這是基於邏輯的推理。

愛因斯坦堅信,量子糾纏中粒子的行為在它們分開的那一刻就已經確定,就像手套的左右分布一樣。新量子力學對量子糾纏的怪異解釋僅說明了他們的理論不完善,未能完全理解量子糾纏的內在機制,可能是某種未知作用的結果。

在愛因斯坦看來,量子力學的不完備性導致了一系列奇特的現象解釋,如概率波、疊加態和量子糾纏等。

1935年,愛因斯坦聯合羅森等人提出了「EPR佯謬」,這是對量子力學不完備性的一次重大質疑。愛因斯坦認為量子糾纏不能超光速,實驗結果也不應該因觀察者的行為而發生變化。

這意味著在一個特定區域內,不能存在超光速的行為,這種觀點稱為定域論。實驗結果不因觀察者而異,稱為實在論。在經典物理學中,正確的理論預測總是一致的,無論在哪裡進行實驗結果都應相同,除非實驗本身存在問題。這就是實在論的基本觀點。愛因斯坦堅持的是定域論和實在論,簡稱為定域實在論。

1964年,貝爾提出了貝爾不等式,這成為判斷愛因斯坦與新量子論孰是孰非的一個重要工具。結果表明,愛因斯坦的觀點是錯誤的。但是,貝爾實驗長期以來一直飽受有漏洞的批評。直到2016年,科學家們利用超過10萬人的自由意志進行了升級版的大貝爾實驗。

這次實驗的結果在北京時間2018年5月10日公布,結果強有力地證明了愛因斯坦的定域實在論是錯誤的,量子力學理論是正確的!這標誌著新量子力學經歷了一百年的爭議和研究後,終於被徹底證實。

然而,仍有一些人不甘心接受這一結果,他們認為,既然所有參與實驗的10萬人都在地球上,只有排除了任何光速以下的「隱變數」,才能徹底證明量子糾纏確實存在「魔鬼般的超距作用」。

科學界已經計劃在月球上進行貝爾實驗,這將為全民再次參與這樣一項偉大的科學實驗提供機會。這一步將進一步驗證量子糾纏的本質,可能會對量子理論提供更加深刻的理解。

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