爱因斯坦与量子力学:从挑战到新见解的百年旅程

2025年04月12日15:42:05 科学 1614

作为20世纪最杰出的物理学家,爱因斯坦的每个言论和行动都备受瞩目,特别是他对新量子力学的持续质疑,这引起了学术界广泛的讨论。

在20世纪,与相对论齐名的另一个重要理论便是量子力学。

量子力学诞生的标志是1900年普朗克首次提出的能量量子化理念。1905年,基于能量量子化的理念,爱因斯坦提出了光量子假设,极大地推动了量子力学的前进。

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普朗克和爱因斯坦可视为量子力学的先驱。他们同时被认为是旧量子理论的奠基人。随后,量子力学的发展权力逐渐移交给以玻尔为首的哥本哈根学派。此外,解释微观世界的理论还包括多宇宙理论。哥本哈根学派与多宇宙理论统称为新量子理论。不过,哥本哈根学派的影响显著超过后者。本文提及的新量子理论特指哥本哈根学派。

在正文开始前,必须指出,虽然爱因斯坦对新量子论的质疑现在看来是错误的,但他的质疑无疑也促进了新量子论的进一步发展。

本文资料主要来源于爱因斯坦的文集及其官方谈话记录。作者仅从爱因斯坦的视角探讨量子力学发展的波折,并不是为了为爱因斯坦辩护。

1905年,爱因斯坦首次将量子概念用于解释光电效应,提出了光量子的概念。这一新理论的提出,令物理学家们震惊,他们不得不感慨新理论在首次亮相时便显示出的锐利,解决了人类长久以来关于光的本质的困惑。

尽管当时(1905年)电子已被发现,但对原子内部的理解仍停留在汤姆森的西瓜模型上。

人们已经知道原子由带正电和带负电的粒子组成,并且整个原子呈电中性,因此推测原子内的正负电荷必须恰好相抵消。自然地,人们想象原子内部的正负电荷均匀分布于原子之中,如同西瓜中的西瓜籽那般。这正是汤姆森原子模型的精髓。

直到1909年,卢瑟福通过α粒子散射实验发现,原子内存在一个大质量的正电核,占据了原子总质量的绝大多数,而原子核外的空间中散布着电子。这一发现促使卢瑟福提出了原子的行星模型,将电子视为绕着原子核旋转的行星。

与此同时,人们发现行星模型有一个显著的缺陷:绕核旋转的电子由于加速度必然会释放能量,从而导致其轨道逐渐降低,最终坠入原子核。这样的情况下,原子核外不可能再存在电子,那么为何我们仍能观察到电子存在呢?这正是行星模型的致命弱点。

无论是汤姆森还是卢瑟福,他们都在用经典物理的方法来解释原子模型。对此,爱因斯坦是持赞赏态度的。直到玻尔开始用量子概念解释原子模型,情况才真正变得复杂。

玻尔提出,电子在原子核外的轨道应当分为不同的能级,电子在释放能量时会跳跃到较低能级,吸收能量则跳至较高能级。

这种解释首次使得电子的运动显得不可思议。人们不仅不清楚电子如何跃迁,还不明白为何电子没有固定轨道。

随着量子力学的进展,物理学家逐渐认识到对于单个电子,无法同时确定其速度与位置,只能用波数和振幅来描述其轨道。

在1926年,海森堡与爱因斯坦的对话中,海森堡向爱因斯坦阐述了一个观点:我们不能准确地测量出电子的运动参数,例如其确切的位置和速度。但我们可以通过概率来描述这些电子的行为,尽管这种描述看起来很粗略,但这仍属于科学的范畴。因为即使在经典物理学中,我们也经常用波数和振幅来表达某些物理量。

爱因斯坦却不认同这种看法,他认为这只是理论发展中的一个过渡阶段。他的观点是,我们目前无法完全了解电子的实际运动,但这并不意味着我们无法做到。

他举了一个例子,就像我们无法精确预测天气一样,并非因为天气没有规律,而是因为我们无法记录下每一个空气分子的运动和相互作用。如果能够做到这一点,那么天气预报就能达到精确无误。雾霾粒子进行布朗运动,并不意味着自然界无规律可循,只是因为我们不了解每个雾霾粒子间的撞击力度和方向,才不得不用布朗运动来描述。

在1927年第五次索尔维会议上,爱因斯坦再次表达了类似的观点。在他看来,使用电子云来描述电子轨道并不反映电子的真实运动情况。

哥本哈根学派倾向于使用概率来粗略描述一群电子的运动规律,而不能准确描述单个电子的实际运动。这只说明量子力学还不够完善,一个完备的量子理论应能精确描述单个电子的运动。

爱因斯坦作为物理实在论的坚定支持者,无法接受哥本哈根学派对电子运动的诡异解释。

玻尔对爱因斯坦的反驳十分直接:电子的行为只能用概率波描述,并不是因为我们的能力有限,而是因为这是自然界的本质。

爱因斯坦对此感到非常不满,他认为自然界的现象应该是确定的、精确的。用概率来描述自然现象只是因为人们在研究微观粒子时的一种无奈之举,虽然这种方法可能涉及到概率统计,但背后的自然现象绝不应该是难以捉摸的概率波。

在1919年,爱因斯坦曾向玻恩写信表达自己的看法,他认为我们应该为新量子论的成功感到羞愧,因为他们的灵感来源于耶稣会的座右铭:“不可让你的左手知道你的右手所做的事”。如果新量子论真如所描述,那么自然世界就变得无法确定了。爱因斯坦不相信我们无法精确预测电子的运动就意味着它具有自由意志

1926年,在给玻恩的另一封信中,爱因斯坦强调他坚信上帝不掷骰子,表达了他对量子力学随机性的强烈不满。

1924年,在给贝索的信中,爱因斯坦表达了自己对量子力学坚持的看法是正确的,暗示玻尔等人可能误入歧途。

1949年给贝索的信中,爱因斯坦表示,他不是反对使用概率统计方法来定量分析微观粒子的运动,而是反对将这种不确定的概率视为自然世界应有的本质。

爱因斯坦的时间并未空闲,在量子纠缠问题上,他提出了一个假设:观察纠缠粒子的一个同时知道另一个粒子的信息,并不涉及任何神秘的超距作用。就像随机向两个盒子中放入一双手套,将一个盒子放在房间里,另一个带到南极。如果在房间打开盒子发现是左手套,那么同时也能知道南极的盒子中是右手套,这是基于逻辑的推理。

爱因斯坦坚信,量子纠缠中粒子的行为在它们分开的那一刻就已经确定,就像手套的左右分布一样。新量子力学对量子纠缠的怪异解释仅说明了他们的理论不完善,未能完全理解量子纠缠的内在机制,可能是某种未知作用的结果。

在爱因斯坦看来,量子力学的不完备性导致了一系列奇特的现象解释,如概率波、叠加态和量子纠缠等。

1935年,爱因斯坦联合罗森等人提出了“EPR佯谬”,这是对量子力学不完备性的一次重大质疑。爱因斯坦认为量子纠缠不能超光速,实验结果也不应该因观察者的行为而发生变化。

这意味着在一个特定区域内,不能存在超光速的行为,这种观点称为定域论。实验结果不因观察者而异,称为实在论。在经典物理学中,正确的理论预测总是一致的,无论在哪里进行实验结果都应相同,除非实验本身存在问题。这就是实在论的基本观点。爱因斯坦坚持的是定域论和实在论,简称为定域实在论。

1964年,贝尔提出了贝尔不等式,这成为判断爱因斯坦与新量子论孰是孰非的一个重要工具。结果表明,爱因斯坦的观点是错误的。但是,贝尔实验长期以来一直饱受有漏洞的批评。直到2016年,科学家们利用超过10万人的自由意志进行了升级版的大贝尔实验。

这次实验的结果在北京时间2018年5月10日公布,结果强有力地证明了爱因斯坦的定域实在论是错误的,量子力学理论是正确的!这标志着新量子力学经历了一百年的争议和研究后,终于被彻底证实。

然而,仍有一些人不甘心接受这一结果,他们认为,既然所有参与实验的10万人都在地球上,只有排除了任何光速以下的“隐变量”,才能彻底证明量子纠缠确实存在“魔鬼般的超距作用”。

科学界已经计划在月球上进行贝尔实验,这将为全民再次参与这样一项伟大的科学实验提供机会。这一步将进一步验证量子纠缠的本质,可能会对量子理论提供更加深刻的理解。

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