原來宇宙是不確定的?

2021-01-21 上海圖書館信使

法國的數學家、天文學家、法國科學院院士,同時也是拿破崙的老師,拉普拉斯,曾經用牛頓方程計算出了行星軌道,並把結果展示給拿破崙看。拿破崙問到:在你的理論中,上帝在哪兒呢?拉普拉斯平靜的回答:陛下,我的理論不需要上帝這個假設。


這毫無疑問是科學史上榮耀光輝的時刻,上帝在物理學中沒有位置,萬事萬物都按照物理學的定律運行,它是沒有分岔路的劇本,就像你出手投籃,那這個球最終是命中還是偏出,結果早在你出手時就決定了。


伽利略(1564—1642)和牛頓(1642—1727)

十九世紀,經典力學、經典電學、經典熱力學代表的經典物理學統治了整個世界,所有事物的過去,未來,一切盡在掌握。自伽利略、牛頓以來,成千上萬的前輩為這門學科嘔心瀝血,大到星系,小到原子,一切的一切都在物理定律下一絲不苟的進行;而對於未來,我們從定律和方程就能預測一顆炮彈的軌跡,預測幾千年後的日蝕,告訴我一顆骰子的大小、質量、初速度、高度、角度、空氣阻力、桌子的摩擦係數,就能算出骰子會擲出幾點來。


這就是決定論(又稱拉普拉斯信條),決定論認為萬物都已經由物理定律規定下來,連一個細節都不能更改。


那時候如果有一位科學家說有什麼東西是不能檢測,檢測結果是不確定的,可能在這裡也可能在那裡,可能是這個狀態也可能是另一個狀態,那他一定會被嘲笑:天哪,連我家的湯姆都知道它的皮球在哪!

然而事情真的是這樣的嗎?

所有東西都能被測量嗎?

我們看到的就是事實嗎?


下面這張圖上個月在微博被瘋傳



這是David Novick的新視錯覺圖,看起來這些球有三種顏色,但其實裡面所有的球顏色都是一樣的 (底色為RGB 255,188,144),如果我們把橫線都改成統一的黑色會發現: 



神奇的一幕!這些球的顏色也一下子「統一」了!是大家眼睛瞎了嗎?當然不是,那麼這些球體的「本來」顏色是這個嗎?別急著下結論,我們再來看張圖:


這張圖你可能見過:著名的人臉-花瓶圖,當我們把白色當作底色看到的是兩個相對的人臉;把黑色當作底色看到的卻是白色的花瓶,這張圖究竟是什麼,到底哪一個才是真正客觀的答案?


尋求客觀真相一直是物理學家們的使命,有一個相似的問題也曾經困擾著一代又一代渴望尋求「真相」的物理學家。那就是,光究竟是什麼? 

古希臘時期的人們把光看做是粒子,義大利數學教授格裡馬則認為光類似水波。1704年,牛頓發表了他的煌煌巨著《光學》(Opticks)力挺光的微粒說。然而1880年,湯瑪斯·楊做了個讓他名揚四海的實驗,證明了光的波動性:楊氏雙縫幹涉實驗。從此光的波動說佔據主流。

1900年,在經典物理學統治世界的最後一年,德國物理學家普朗克發表了重要論文《黑體光譜中的能量分布》,他提出,能量的傳輸是分成一份一份的,而不是連續不斷的,這和一直以來的傳統物理觀念完全相反,傳統物理認為,騎車總a點到b點,總是會經過某一個c點,溫度從20度到30度,也必定在某個時刻達到25度,對能量的傳遞來說也是連續的,能量是可以無限細分的。但普朗克發現,能量的每次傳輸一定是一個確定的量,他把它稱為量子

5年後,在瑞士的專利局,一位小職員在普朗克的論文基礎上提出了光量子的假說。當時,光被認為是一種電磁波,而電磁波的吸收或者輻射是一份一份進行的,於是這個小職員也認為光的吸收和輻射也是一份一份進行的,這一點解釋了光電效應中無法用電磁理論說通的現象,證明了光的離散性,為光的微粒說重新注入了活力。這個小職員的名字叫阿爾伯特·愛因斯坦。

1926年薛丁格一連發表四篇論文,從建立在相對論基礎上的德布羅意方程出發,推到出薛丁格方程,建立起了全新的波動力學體系,他認為「不管是電子也好,光子也好,都只是波動表面的泡沫,他們的本質是波」

就在越來越多的人開始相信薛丁格的波動說時,後來的量子力學創始人海森堡通過重新「發明」數學中的「矩陣」概念,發現某一時間電子在空間上的位置並不是總能準確地確定。舉個例子,只要我們進行測量,都會發生接觸,哪怕用眼睛測量:某個光子從光源出發,撞到被測物體再反彈到你的眼睛。當被測物體,比如電子,小到光子的觸碰不再能忽略不計,甚至會影響到他的位置和速度,那我們的觀測結果還「準確」嗎?通過計算,海森堡發現,不管觀測親近的是動量p還是位置q,只要測到其中一個,另一個數據就會發生改變。這一理論發表後被翻譯成:測不準原理。

愛因斯坦對此評價道:「海森堡下了一個巨大的量子蛋。」

那麼,經過測量後偶爾體現波動性偶爾體現粒子性的光子到底是哪種呢?


福爾摩斯曾經說過:我的方法,就是建立在這樣一種假設上面:當你把一切不可能的結論排除之後,剩下的,不管多離奇,也必然是事實。


如果電子不可能不是粒子,也不可能不是波,那麼剩下的唯一可能,它既是粒子也是波!最終,愛因斯坦的「光的波粒二象性」的觀點得到了證實。

1921年,愛因斯坦因為"光的波粒二象性"這一成就而獲得了諾貝爾物理學獎


經過300年的波粒之爭,兩方終於妥協。兩個互相排斥的現象,卻統一了,它的本質是什麼,已經不重要了,重要的是我們知道了它是不確定的,它呈現的樣子完全取決於我們怎麼觀察它,就和上面的錯覺圖一樣。


那麼宇宙也是不確定的嗎?一個不可觀測的「世界」究竟有什麼意義呢?


也許就像海森堡說的「所謂的意義是不存在的,如果有的話,那數學就是一切意義。物理學是什麼?是從實驗觀測量出發,並以龐大的數學關係將他們聯繫起來的一門科學

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