相信大家經常聽到愛因斯坦說過一句話:上帝不扔骰子。但是你真的了解這句話背後的內涵嗎?且讓我來給你分析分析。
首先愛因斯坦說這句話主要是針對量子力學而言,因為愛因斯坦憑藉出色的「狹義」和「廣義」相對論,贏得了全科學界的掌聲和點讚,所以當時愛因斯坦的名氣已經是如日中天、召喚神龍了。但是新興發展起來的一個領域:微觀世界,相對論卻無法解釋,更要命的是以波爾一派為代表的哥本哈根學派來勢洶洶,通過三大理論支柱,對微觀世界的研究前進了很多步。
愛因斯坦作為當時頂尖的科學家,豈能放過這個新興的研究領域,所以也投入大量時間研究微觀世界的物理規律。但是一去研究比如電子的運動,完蛋了,無從下手啊!為啥會這樣呢?因為我們研究宏觀物體是不是先做受力分析,然後用牛頓力學或者相對論去推演將來發生的一切。但是微觀世界,你如何去研究電子的受力分析呢?比如你能測量出來一個電子的加速度嗎?不能,所以進入微觀世界,什麼受力分析、加速度大小等等我們經常接觸到的概念統統歇菜。
波爾作為哥本哈根學派的靈魂人物,自然要改變傳統的宏觀物體研究思路,波爾認為既然我們無法測量出一個電子的受力情況,無法測量出加速度,我完全就可以認為在微觀世界「加速度」是不存在的,因為波爾認為:只有能被測量的物理量才是真實存在的,這是一種實證主義思想,在當時非常流行。
所以再波爾的帶領下,我們研究微觀世界的物體運動,無需再做受力分析,也無需算加速度,同時微觀世界裡面甚至「速度」這個概念都要被拋棄,微觀世界裡面基本沒有瞬時速度的概念了,替換它的是「平均速度」,因為微觀粒子擁有都同時處於多個位置的疊加態和多個速度的疊加態,不了解疊加態的朋友可以先去看看往期的文章,有詳細講解這個問題。當微觀粒子同時擁有多個速度且同時分布在多個位置,那麼你說微觀粒子具有一個瞬時速度,那這個速度到底是微觀粒子的哪個分身的速度呢?當你這樣一想你就會發現,瞬時速度對微觀世界的物體沒有意義,但是如果我們把微觀粒子所擁有的速度取一個平均值,那麼這個平均速度就有物理含義了,可以帶入公式進行計算。
但是隨著人們對微觀世界不斷探索,更多的奇怪現象浮出水面,比如一個電子同時通過兩個狹縫,自己和自己形成「位置概率波」的幹涉,再比如「光子延時實驗」居然似乎暗示現在的行為可以改變過去,再到後面的「量子擦除效應」說明微觀粒子的很多參數具有「互補特性」,所謂互補就是你同一個時間只能獲取一個,另一個會消失不見,這在數學上反應出來的就是:矩陣不滿足交換律。關於以上的三個實驗我前面寫的文章都有講解,不了解的朋友可以先去看看。
但是愛因斯坦作為宏觀世界研究的終極大師人物,最開始連微觀粒子的疊加態都不認可,愛因斯坦認為我們研究微觀粒子出現了「疊加態」的概念,這肯定是因為我們的量子力學理論還不夠完善,無法真正揭示量子世界的規律,所以造成了看似疊加的現象,實際上有一個更為深層次的規律我們並未掌握。
愛因斯坦的相對論可以預言宏觀物體所有運動情況,小到日常一列火車的運動,平拋小球的運動,大到宇宙天體的運動,接近光速的物體運動,愛因斯坦的相對論可以說宏觀世界「打遍天下無敵手」,因為我們通過相對論真的可以預言一個運動物體的「未來」,並且未來每一個時刻都是確定的,清晰可見的,100%可預測出確定結果的。
但是到了量子世界,我們會發現,用薛丁格的方程解出波函數來預言一個微觀粒子的「未來」,我們永遠只能得到每一個時刻粒子處於各個狀態的概率分布圖,換言之我們永遠只能拿到概率值,無法拿到確定值。這對我們人類而言肯定是不甘心的,我們認知的物理規律都是可以100%預言未來的一切,你只告訴我概率不告訴我確定值,說明你還不夠了解這個微觀世界而已。
所以從以上分析我們可以看出,愛因斯坦的這種「決定論」「確定論」思想是非常符合我們的直覺的,因此愛因斯坦拋出一句「上帝不扔骰子」來表達自己的這個觀點,不扔骰子就表示這個世界本質是確定的,我們目前無法準確預測微觀粒子是因為我們認知不足造成。
而波爾一派的哥本哈根學派各位大咖則認為這個世界尤其是微觀世界本質就是不確定,這種不確定性不是我們認知不足造成,而是這個世界的內在屬性而已。當波爾把世界描述為本質不確定,肯定不少朋友會覺得:你這就是耍賴嘛!的確,我們人類幾千年研究科學史可以總結出一條規律,凡是測不準的問題都可以歸結於我們自己認識不夠,凡是不能確定的預測某物體的問題,也可以歸結於是我們人類認知不足,我們目前預測不準微觀世界,怎麼可能是因為微觀世界本來不確定呢?肯定是我們自己認知不足造成的,我們內心是極度相信這個世界本質是確定的,只要我們不斷研究探索,終有一天我們能把微觀世界也100%確定預言而不需要用概率來描述微觀世界。
可惜理想和豐滿,現實很骨感,「貝爾不等式」在微觀世界不成立,已經極度說明了微觀世界的不確定性真的就是微觀世界的本質屬性,絕對不是我們認知不足造成,關于貝爾不等式我往期也寫了文章講解,如果不懂可以先去看看。
從目前的量子力學發展來看,還是以哥本哈根學派的理論為主流,雖然也有很多反對這個學派的物理學家,但是筆者還是比較相信哥本哈根學派的,因為這個學派的理論最大特點就是經得起實驗來檢驗,雖然這個學派的理論太不符合我們的直覺,但是正如當初愛因斯坦提出狹義相對論一樣,也是反直覺,不過最後依然被大家接受,可見直覺不等於真理,常規不等於真相。
讓我們相信上帝的確扔骰子吧,這樣的世界不確定,這樣的世界充滿變數,這樣的世界讓人驚訝,這樣的世界讓奮鬥更有價值,這樣的世界命中未註定,這樣的世界更激勵人上進,這樣的世界更為豐富。我是百家號《小彭來給您解惑》,如果喜歡我的文章可以關注我,如果對文章有異議可以留言評論。