為什麼愛因斯坦,會在量子力學和天文學中,犯下兩項重大錯誤?

2020-12-03 博科園

科學研究是建立在觀察到自然現實與用數學語言表述的理論，如果理論的所有結果都被實驗證明了，那麼它就被認為是有效的，這種方法已經使用了近四百年。但這些進步都要歸功於人類的智慧和先驅智者，儘管如此，這些智者仍然能夠堅持自己先前存在的信仰和偏見。所以，這可能會影響科學的進步，即使對最偉大的科學家來說也是如此（比如愛因斯坦）。

01第一個錯誤：宇宙學常數

在愛因斯坦的廣義相對論中，他寫下了描述宇宙隨時間演變的方程式。這個方程的解表明：宇宙是不穩定的，而不是像當時認為的那樣，是一個體積恆定的巨大球體，恆星在周圍滑動。在20世紀初，人們認為我們生活在一個靜止的宇宙中，在這個宇宙中，恆星的運動是不變的。這可能要「歸功」於亞里斯多德，他說天空是不變的。

這一想法卻與歷史記錄反常：早在1054年，中國古代人就注意到天空中出現了一種新的發光現象，但歐洲歷史沒有記錄提到這一點。然而卻可以在白天看到，並持續了幾個星期。這是一顆超新星，也就是一顆垂死的恆星，其殘餘物就是現在大家所熟知的蟹狀星雲。在歐洲佔主導地位的思想，阻礙了人們接受一種與天空不變想法完全矛盾的現象，而超新星是一種非常罕見的事件，平均肉眼可見一個世紀內只能觀測到一次。

上一次肉眼可見的超新星可以追溯到1987年，因此，亞里斯多德認為天空不變幾乎是正確的，至少在人類生活的規模上是這樣。為了保持與靜態宇宙的想法一致，愛因斯坦在方程式中引入了一個宇宙學常數，這「凍結」了宇宙的狀態，是宇宙成為靜態宇宙。他的這種直覺讓愛因斯坦產生了錯誤：1929年，當哈勃證明宇宙正在膨脹時，愛因斯坦承認他犯了「他最大的錯誤」。

02第二個錯誤：量子隨機性

量子力學幾乎與相對論同時發展，量子力學描述了無限小尺度上的物理現象（普朗克尺度），愛因斯坦1905年對這一領域做出了巨大貢獻，他將光電效應解釋為電子和光子之間的碰撞，即攜帶純能量的無限小粒子。換句話說，傳統上被描述為波的光行為，就像粒子流，正是這一進步，為愛因斯坦贏得了1921年的諾貝爾獎。但是，儘管做出了這一重大貢獻，他仍然頑固地拒絕認可量子粒子世界不受經典物理嚴格決定論的約束。

量子世界是概率性的，我們只知道如何在一系列可能性中預測發生的可能性。在愛因斯坦的「盲目」中，我們再次看到了希臘哲學的影響，柏拉圖曾說：思想應該保持理性，不受現實的偶然性影響，這是一種高尚的思想，但並不遵循科學的戒律。知識需要與所有預測的事實完全一致，而信念則是建立在可能性的基礎上，這種可能性是由部分觀察產生的。

愛因斯坦本人確信：純粹的思想能夠完全捕捉到現實，但量子隨機性與這一假設相矛盾。在實踐中，這種隨機性並不是純粹的噪聲，因為它受到海森堡測不準原理的約束。這一原理將集體決定論強加於粒子組，電子本身是自由的，因為我們不知道如何計算電子離開空穴時的軌跡，但用一百萬個電子繪製的衍射圖，顯示出可以計算的暗條紋和亮條紋。

但愛因斯坦並不接受這種根本的非決定論，正如他所總結的那樣：上帝不會和宇宙擲骰子。愛因斯坦設想了隱藏變量的存在，即物理學家用來描述粒子的質量、電荷和自旋之外尚未發現的變量。但實驗並不支持這一觀點，不可否認的是，現實的存在，超出了人類的理解，我們不可能知道關於量子世界的一切。

03想像力和偶然的突發奇想

在科學方法的過程中，還存在著一個不完全客觀的階段。這就是理論概念化的原因，愛因斯坦用思維實驗給出了一個著名的結論：想像力比知識更重要。事實上，當一個物理學家觀察不同的觀測時，他必須想像一個潛在的定律。有時，幾個理論模型會爭相解釋一個現象，只有在這一點上，邏輯才會再次佔據上風。想像的作用不是發現，而是準備，它只對「服務任務」有好處，這樣，思想的進步就源於所謂的直覺。

這是一種超越純粹理性的知識飛躍，客觀和主觀之間的界限不再是完全穩固的。大腦產生思想是來自於電磁脈衝作用下的神經元，其中一些特別活躍，就好像細胞之間有一條短路，在那裡偶然性在起作用。但這些直覺，或人類思想的「花朵」，對每個人來說都不一樣，愛因斯坦的大腦產生了「E=mc2」，而普魯斯特的大腦則提出了一個令人欽佩的比喻。直覺是隨機出現的，但這種隨機性受到每個人的經驗、文化和知識的影響。

04隨機性的優勢

沒有隨機性，我們就會受到本能和習慣的指引，我們所做的幾乎完全局限於這第一層現實，有普通的關切和必須完成的任務。但還有另一層現實，在這層現實中，明顯的隨機性是關鍵特徵，任何行政或學術努力都無法取代偉大智者所創造的隨機性奇蹟，而愛因斯坦是創新精神和自由精神的典範，但他也仍然持著自己的偏見。

愛因斯坦的「第一個錯誤」可以概括為：我拒絕相信宇宙是動態的，然而，實驗證明他錯了。愛因斯坦對上帝擲骰子的判決意味著，「我拒絕相信量子世界的隨機性」，然而，量子力學包含了很強的隨機性。愛因斯坦的話迴避了一個問題：即他是否會在一個沒有隨機性的世界相信上帝？這將極大地限制我們的思維自由，因為將被限制在絕對決定論中，但愛因斯坦頑固地拒絕了。對愛因斯坦來說，人腦應該能夠知道宇宙是什麼，而海森伯格謙虛得多，他告訴我們：物理學僅限於描述自然在特定環境下的反應。

量子理論表明，雖然我們無法完全理解，但量子世界是隨機性的，人類只能在短暫時間內逃避這個世界的法則。停頓的瞬間，沉思的瞬間，純粹的直覺瞬間，…正是這些閃光，有些人才有能力成為「超人」般的智者。愛因斯坦是一位傳奇的物理學家，是一個富有想像力的完美例子。因此，愛因斯坦對隨機性的拒絕是一個悖論，因為隨機性使直覺成為可能，允許在科學和藝術中進行創造性的過程存在。

博科園｜文：François Vannucci/The Conversation

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  • 為什麼愛因斯坦，會在量子力學和天文學中，犯下兩項重大錯誤？
    但這些進步都要歸功於人類的智慧和先驅智者，儘管如此，他們仍然能夠堅持自己先前存在的信仰和偏見。這可能會影響科學的進步，即使對最偉大的人來說也是如此（比如愛因斯坦）。第一個錯誤：宇宙學常數在愛因斯坦廣義相對論傑作中，他寫下了描述宇宙隨時間演變的方程式。
  • 愛因斯坦一生中最大的錯誤是哪個?宇宙常數還是量子力學?
    愛因斯坦犯過兩個最大的錯誤，一個是他承認的宇宙常數問題，另一個是他一起開創，但卻愛恨交加反對了一輩子的量子力學。著名的愛因斯坦研究專家亞伯拉罕·帕斯在《愛因斯坦曾住在這裡》一書中說就算1925年後，愛因斯坦改行釣魚以度過餘生，這對科學來說也沒什麼損失。下面來看偉大的愛因斯坦到底犯了多大錯，居然淪落到釣魚都沒啥影響？
  • 愛因斯坦的一生:從如日中天到犯下人生中最大的錯誤
    圖片來源：外研社《愛因斯坦也犯錯》 十年攻堅、大功告成。1915年底，愛因斯坦完成了廣義相對論的重大突破，他致信給好友貝索說「我最大膽的夢想已經成真」。接著，便是廣義相對論曲折的驗證過程，終於在1919年由英國天文學家愛丁頓的團隊一錘定乾坤，由此愛因斯坦名揚天下，此可謂其人生「如日中天」。
  • 為什麼廣義相對論與量子力學無法統一?愛因斯坦自己也無法做到
    我們再也不能將現實描述為由具有明確定義的屬性(如位置和動量)的單個粒子構成。相反，我們進入了量子的領域:在那裡，基本的非決定論統治著我們，我們需要一個關於自然如何運作的全新的描述。但即使是量子力學本身也有失敗之處。他們從一開始就註定了愛因斯坦最偉大的夢想——對現實的完整、確定性的描述。這是為什麼。
  • 網友問:愛因斯坦是量子力學的創始人,最後為何又反對量子力學?
    愛因斯坦當初並不反對量子力學，而是反對量子力學的根本哈根詮釋中，那種模稜兩可的詮釋。愛因斯坦是量子力學的創始人之一，他解釋光電效應的論文還獲得諾貝爾物理學獎；量子力學本是一個泛概念，在量子力學誕生之初，波爾等人建立起來的量子力學系統稱為根本哈根詮釋。
  • 愛因斯坦與量子力學所展現的微觀實用性
    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。
  • 量子力學有沒有可能完全就是錯誤的?愛因斯坦的物理法則很可惜!
    量子力學有沒有可能完全就是錯誤的？愛因斯坦的物理法則很可惜！量子力學具有部分真理，不是絕對真理，就像牛頓力學一樣，有其使用範圍，不能簡單的稱之為對的或者錯的。目前為止，沒有一個物理理論是絕對正確的。個人覺得，未來會有比量子力學更普適的理解出現，期待這一天。
  • 愛因斯坦反對量子力學是誤解
    多年以來，愛因斯坦的話已經成了他反對量子力學及其隨機性的標誌，但人們其實誤解了他。dinger）在20世紀20年代建立的量子理論最常用的表述，也正是基於愛因斯坦關于波動物理的思考。愛因斯坦並不反對量子力學，他也不反對隨機性。在1916年他證明，當原子發射光子的時候，發射時間和角度是隨機的。「這與愛因斯坦反對隨機性的公眾形象截然相反。」赫爾辛基大學的哲學家揚·馮·普拉託（Jan von Plato）說。
  • 為什麼愛因斯坦最初那麼支持量子力學,最後卻反對量子力學了呢?
    愛因斯坦關於量子力學的態度一直沒有變，愛因斯坦依然是量子力學的重要奠基人之一，愛因斯坦只是一直反對根本哈根拍對於量子力學的詮釋剛跨入二十世紀之初開爾文曾在一場演講上做了一番演講：在經典物理學的藍天上依然有著兩朵小烏雲讓大多數科學家感到不安，第一朵就是麥可
  • 愛因斯坦、玻爾和量子力學
    5年以後的1905年，愛因斯坦指出，電磁波本身就是由一份一份的量子組成的，叫做光量子。20年後被簡稱為光子。這是愛因斯坦本人唯一自稱具有革命性的工作。這與普朗克的量子假說並不一樣，就好比，普朗克說，從水缸裡舀水時，一勺一勺地舀；而愛因斯坦說，水本來就是由一勺一勺組成的，不存在半勺水的概念。
  • 愛因斯坦都懷疑的「量子力學」是真的嗎？
    「量子力學」這個名詞，這幾年可以說非常火熱。很多科幻的電影小說，只要一出現亂七八糟無法解釋的事情，像什麼時空穿越時間倒流，就把鍋往量子力學上甩，也就產生一個梗叫「遇事不決，量子力學」。所以就導致了很多人包括我，就認為這量子力學是不就是一門玄學？
  • 相對論和量子力學是現代物理的兩大支柱,為何沒有弦理論?
    相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，同時也是20世紀整個科學界中最重要的兩項成就。1905年，愛因斯坦給出了質能方程、狹義相對論，1915年又給出了廣義相對論，這些極大地刷新了人類對時間、空間、質量、能量等的認識。
  • 相對論、量子力學等理論在未來會被推翻嗎?為什麼?
    小夥伴們，相對論、量子力學是物理學的發展的前沿理論。不過，很多人有一些錯誤的理解，什麼相對論推翻了萬有引力定律啦，量子理論不存在啦，等等。其實，這是對物理學無知的論調。有些人人云亦云，跟著起鬨。我們說，科學是嚴謹的，同時科學也是發展的。
  • 量子力學，為什麼擁有可以改變世界的能力
    但是量子力學認為，萬物可以同時處於不同的狀態，多種可能性共存，事物的結果將在您觀察時出現。至於看到的結果是？它是完全隨機的，其概率主要由疊加狀態中狀態的成分決定。愛因斯坦認為這違反了物理學的基本定律，因此他說了著名的一句話，上帝不擲骰子。
  • 量子力學首課:愛因斯坦與物理學革命,量子力學開端一目了然
    今天我們來簡單介紹愛因斯坦在相對論和量子論建立時他的貢獻大家看到上面這張照片，這張照片跟大家通常看到的愛因斯坦照片不太一樣，通常看到的都是那個發亂糟糟滿臉皺紋叼個菸斗的那個愛因斯坦，大家都覺得這個腦袋聰明的不得了，其實這個腦袋已經不行了，行的是年輕時候的腦袋。
  • 愛因斯坦算不算是量子力學的奠基人之一?
    可能很多人都知道愛因斯坦和量子力學的旗手玻爾之間的爭論，也聽說過他的不相信「上帝在擲骰子」，如果只看這兩點，容易讓人錯誤的認為愛因斯坦不是量子力學的奠基人之一。其實愛因斯坦對量子力學的建立有著巨大的貢獻，包括量子力學的奠基。
  • 愛因斯坦之後,物理學有哪些重大發現?
    愛因斯坦是物理學史上一位具有劃時代意義的偉大科學家。他的狹義相對論給人類帶來了對時間、空間等概念的全新認識；廣義相對論將引力幾何化，推動著天文學進入一個新時期。愛因斯坦還是量子力學的奠基人之一，用光量子解釋了光電效應使他獲得了諾貝爾物理學獎。
  • 為什麼有人說愛因斯坦不是量子力學的奠基人之一
    量子力學和相對論不同，它是由一大波牛人共同建立起來。在人們認識微觀世界和原子結構的過程中，新的思想和理論不斷產生，量子力學就是在普朗克，愛因斯坦，玻爾，德布羅意，海森堡，薛丁格，波恩，泡利，狄拉克這些物理學家們共同建立起來的。
  • 愛因斯坦攻擊量子力學所憑何據?
    ．但在EPR的論文中，愛因斯坦已經不懷疑這一點，而是評點了量子力學的完備性．從此之後，愛因斯坦對量子力學就一直了採取一種超然態度：我不帶你們玩兒! 二，EPR佯謬所暗含的量子力學「不自洽」在量子力學中，同一粒子的位置x和動量p不能同時確定值，但兩個粒子的如下力學量X≡x1-x2，P≡p1+p2是相互對易[X, P]=0可同時取確定值．設這個態中讓X=a, P=0．這個圖像在經典力學中匪夷所思：兩個粒子的動量相反，如何能保持位置差不變?
  • 偉大的愛因斯坦也會犯錯|展卷
    博達尼斯的作品讓我們看到一個更加立體、完整的愛因斯坦，也更理解科學發展過程中的各種波折與挑戰。一個會犯錯的愛因斯坦，才是真實的愛因斯坦；可以被檢驗和批評的科學，也才是真正的科學。全書的重點就是愛因斯坦犯下的兩個科學上的重大錯誤：第一個是宇宙學常數的增加和刪除，第二個是他對待量子力學的態度。愛因斯坦在建立廣義相對論後，很得意能夠以簡潔的方式描述宇宙。但是，當時人們相信宇宙處於穩定的狀態中，而這與廣義相對論的推論相矛盾。