物理學家費曼
費曼是20世紀最傑出的物理學家之一,參與了曼哈頓計劃。(也就是美國原子彈的研製)同時,也獲得了諾貝爾物理學獎,而他主要成就是集中在量子力學中。他曾經給大學本科生授課,這門課程的內容後來被整理成書,這本書就叫做《費曼物理學講義》,是如今最暢銷的大學物理學教材。
作為20世紀在量子力學領域的大牛,為什麼費曼會說出:世界上沒有人懂得量子力學?
世界上真的沒有人懂得量子力學?
其實,有類似的想法的不止費曼一個物理學家,有很多物理學家說過。比如:量子力學的奠基人,哥本哈根學派的領袖波爾就曾說過:
如果有人不對量子力學感到困惑,那只能說明他不懂量子力學。
這麼多量子力學領域的專家都有類似的表達,那這當中一定有一些貓膩。
之所以他們有這樣的困惑,本質上是因為量子力學其實是描述微觀世界的物理學現象的理論,他們並非對理論感到困惑,而是對於微觀世界的離奇現象感到困惑。
那微觀世界到底存在什麼樣的離奇現象呢?
在物理學史上有一個堪稱離奇,詭異甚至是恐怖的實驗,這個實驗叫做:雙縫幹涉實驗。
由於篇幅關係,我們在這裡就不具體講這個實驗到底是咋回事了。我們就說說這個實驗另科學家十分困惑的地方是什麼。簡單來說就是:這個實驗有觀測者和沒有觀測者最終得到的實驗結果是不同的。
具體來說是這樣的,在這個實驗中,光子或者電子通過雙縫之後會在屏幕上成像,如果什麼都不管不顧,就會出現幹涉條紋。
但是如果你在實驗裝置上加一個探測器,觀測電子或者光子是如何通過雙縫時,就會出現完全不同的實驗結果。是不是神奇?一開始科學家還不信,經過多次反覆的實驗,這個結果始終就是這樣的。也就是說,一個普普通通的物理學實驗,最終把觀測者捲入到其中,你說詭不詭異?
上帝不擲骰子
無論實驗是什麼樣子,對於理論物理學家來說就是要用理論對其進行描述。在上世紀20年代前後,海森堡提出了矩陣力學來描述,薛丁格提出了薛丁格的波動方程來描述。後來,狄拉克從數學上證明了兩者是等價的。實際上,到了海森堡,薛丁格和狄拉克已經是第三代量子力學的科學家,在之前此,第一代是普朗克,愛因斯坦;第二代是波爾,索末菲,波恩;除此之外還有泡利,德布羅意等人。
這幫人不光是在研究理論,他們還吵了起來,分成了兩派。一派是波爾領銜的哥本哈根學派,主力幹將就有海森堡,泡利等人。另一派來頭也很大,愛因斯坦領銜,主力幹將有薛丁格,德布羅意等人。
他們到底在爭啥呢?
說白了,他們就是在爭「這個不確定性」。海森堡提出了不確定性原理,描述了微觀世界的物理現象。他認為,我們沒辦法同時測量到微觀粒子的位置和動量的信息,測了一個,另一個就不準了。那這個該如何理解呢?
我們來舉個例子,就拿氫原子模型來說,我們傳統意義上認為電子是繞著原子核在轉的,這類似於地球繞著太陽轉。
但海森堡認為,所謂的「軌道」其實是假想出來的,並不存在,還不夠存粹。他基於當時的實驗現象,提出不確定性原理,用這理論來描述電子的運動。具體來說,就是利用「概率」來描述。電子可以出現在下面任意的位置,只不過每個位置的概率不同,因此,可以用電子云來描述。
這種「不確定性」是愛因斯坦無法解釋的,他曾經在和波爾的論戰中就說到:上帝不擲骰子。
而波爾反擊道:愛因斯坦不要指揮上帝如何做。
反對派的主力幹將薛丁格更是提出了一個思想實驗:薛丁格的貓。
用貓的既死又活的疊加態來諷刺哥本哈根學派。
無論是愛因斯坦,還是薛丁格都認為量子力學所描述的微觀世界是不夠完備的。他們其實都在試圖證明量子力學的不完備性。愛因斯坦認為,存在著一個最終極的可觀的真理,而不是像量子力學所描述的「不確定性」。而愛因斯坦的整個後半生,基本上都在試圖證明量子力學的不完備性和試圖提出終極理論,但他都沒有做成,隨著後續的實驗,最終的結果都偏向于波爾所領銜的量子力學哥本哈根學派的觀點。
實際上,我們無法理解量子力學的一個很重大的原因是我們無法換位思考。微觀世界的物理學現象和我們所處的宏觀低速的世界實在太不同了。這其實和我們無法理解相對論是一回事。我們所處的是低速和弱引力場的世界,而相對論描述的確實大尺度,高速,強引力場的世界。這種時空的巨大差異,導致我們無法理解,所以,說白了,這是尺度造成的。