愛因斯坦與量子力學所展現的微觀實用性

2020-12-05 老去地那一天

由於固有的概率性質,量子力學完全不同於在其出現之前,其他描述宇宙的理論。不論定性還是定量都是如此。自其誕生之日起,物理學家們就在努力將這個奇怪的、出乎意料的理論體系融入普通的世界觀中。這些努力到現在仍在進行中。

問題在於,如何協調日常生活的宏觀經驗,與量子力學所展現的微觀實在性。我們已經習慣於生活在這個物理性質至少看起來穩固而可靠的世界上。儘管有時不得不屈服於各種各樣的經濟或突發事件的反覆無常。你不用擔心你現在呼吸進去的空氣的原子,會因其量子性質而突然解體,然後出現在我們看不到的月球那一面,並重新組合起來,且留下你氣喘籲籲的呼吸著。你不用為這種事情而感到煩惱,因為根據量子力學,這種事情發生的概率即使不是零也是相當小的。但是究竟是什麼使得概率如此之小呢?

有兩點原因。第一層,從原子尺寸來看,月球無限遠,而且正如我們在上文所提到過的,在許多情況下,雖然絕不是所有的情況。量子方程顯示概率波一般只在空間中的很小的區域內才有可測量的值。一旦離開這個區域,概率波就會迅速的衰減到幾乎為零的程度。因此,和你出現在同一空間的單獨一個量子,比如你剛剛呼出的空氣中的一個電子,立刻出現在月球背面的可能性,即便不是0也是非常小的。第二,在你的房間的空氣中,有許多的電子、質子和中子,所有的粒子一起發生這種對於一個粒子而言都是概率很小的事情的概率更是非常的小。以至於都不值得我們思考。

這就好比不僅要與心動的電影明星結婚,而且還要在相當長的一段時間內贏得每期的彩票,那麼這個相當長的一段時間指的是多長呢?這個要長到那時,現在的宇宙年齡看起來不過是宇宙眨了一下眼。這就是我們有點明白,為什麼在日常生活中我們不會直接遇到量子力學的概念方面的問題。由於實驗證實,量子力學確實可以描述基礎物理學,所以它對我們有關實在性的基本信念形成了威脅。比如愛因斯坦就深受量子力學的概率性質所煩擾,他一再強調物理學決定著什麼、已經發生什麼、正在發生以及我們周圍的世界會發生什麼。物理學家不是賽馬活動的下注者,物理學也不是用來計算概率的。

但愛因斯坦不能夠否認,量子力學在解釋和預言微觀世界的實驗結果方面非常成功。儘管這只是從統計學的數據來看,因此愛因斯坦並未試圖說明量子力學是錯誤的,因為考慮到他的成功之處,那樣做簡直就是傻瓜才犯的錯誤。但他付出了很大的努力,試圖說明量子力學並不是決定宇宙如何運作的終極理論。雖然不能說明到底是怎麼回事,但是愛因斯坦試圖向大家證實一定存在著一種更為深刻,而又不那麼詭異的,有關宇宙的理論體系有待人們發現。前後許多年,愛因斯坦提出了一系列更加複雜的挑戰,旨在找出量子力學結構上的缺陷。其中之一在1927年的,索爾維研究所舉辦的,第五屆物理學會議期間提出。

基於這樣一個事實,即使電子的概率波看起來如之前給出的概率波快照相似。但不管何時,只要我們去測量電子的位置,我們總是發現電子在或站或那確切的位置上。因此,愛因斯坦問道,這是否意味著概率波只是某種能夠預言電子的確切位置的,更為精妙的理論知識尚未發現而已。畢竟我在x處發現了電子,那不就意味著實際上電子在測量之前就在x處,或者是非常接近x處。如果這樣的話,愛因斯坦更進一步量子力學所依賴的概率波,在本例中表明電子距離x處有多遠的概率的波不正反映了理論在描述基礎事實性方面的夠充分性嗎?

愛因斯坦的觀點簡單而又有說服力。認為粒子一直就在那,後來發現他的位置或是鄰近位置處,豈不是非常自然的事情嗎?如果是這樣的話,物理學上更為深刻的理解需要我們能夠給出哪些信息,放棄粗糙的概率體系。但是丹麥物理學家尼爾斯波爾和量子力學的擁護者們不同意愛因斯坦的觀點。他們認為這樣的推理源於傳統的思想,即每個電子按照單獨的確定的路逕往返,而電子的雙縫實驗強烈的挑戰了這種思維。因為如果每個電子確實按照一個明確的路徑,就像是槍裡發射出子彈這樣的經典圖像,那將很難解釋觀測到的幹涉圖樣是什麼,和什麼發生了幹涉呢?

正常情況下,從單獨一支手槍一個接一個發射出來的子彈,不可能與另一個子彈發生幹涉。因此,如果電子像子彈一樣運動的話,那麼電子的幹涉圖樣又作何解釋呢?與之不同,根據波爾和他力推的量子力學哥本哈根詮釋,在人們測量電子的位置之前,問他在哪兒毫無意義,不會有一個明確的答案。概率波所記錄的是當適當的測量一個電子是在或這或那的位置,發現他的概率而事實上這就已經是關於其位置所能討論的全部了,沒有其他的了。只有當我們看電子的那一刻,測量其位置的時刻,並找到其具體位置時,它才具有通常意義上的確切的位置。但在我們測量之前和之後,他所有的全部,乃是概率波所描述的潛在為止。而概率波就像其他任何波一樣具有幹涉的效應。

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    1927年,愛因斯坦受邀參加了第五屆索維爾會議,這是愛因斯坦第二次參加此會議。與會人員全是當時全世界著名的科學家。當然此次參會者還有大名鼎鼎的新量子力學創始人—玻爾。這次會議最引人矚目的便是愛因斯坦和玻爾關於量子力學的本質解釋爭論。
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