量子力學篇 【量子力學篇-13期】這才是年輕人該磕的CP嘛！

20世紀初 物理學界誕生了影響至今的兩大理論 一個是愛因斯坦 憑一己之力提出的相對論 一個是布爾徽夏的哥本哈根學派 攜各路英雄一起創立的量子力學 相對論顛覆了牛頓的絕對時空觀 但仍保留了嚴格的因果性和決定論 用人話說就是 我總可以根據此刻的狀態 推算出下一刻的狀態 而量子力學的哥本哈根詮釋 則更加激進 它的三大核心原理 波恩概率解釋 海森堡不確定性原理 以及布爾的互補原理 直接摧毀了經典力學構建的嚴格因果性 以及世界的絕對客觀性 他認為 人類永遠也無法獲得實在世界的確定狀態 更無法以此推測出下一刻的狀態 最多也只能獲得一種概率分佈 因為對世界本性的觀念差異 愛因斯坦和哥本哈根學派之間矛盾不斷 這就引出了愛因斯坦和布爾之間的 一場著名論戰 那真是一場驚天動地 曠古碩金的持久論戰 1927年 比利時國王贊助召開了第五屆索爾維會議 會議持續六天 主題正式量子力學 這張著名的照片 就是於該次會議期間拍攝 要說追星 這絕對是一場空前絕後的群英會 愛因斯坦 布爾 薛定諤 海森堡 迪拉克 泡利 普朗克 波恩 德布羅伊 德拜 居里夫人等物理學界最耀眼的明星 齊聚一堂 面對他們 你手裡要是沒個諾獎 都不好意思跟人家打招呼 先介紹下雙方陣容 哥本哈根學派主力選手 布爾 海森堡 泡利 波恩 愛因斯坦這邊的主力選手 主要是德布羅伊 薛定諤 公證人 量子論創始人 普朗克 主持人 理論物理學大宗師 洛倫茲 吃瓜群眾 主要是一些實驗物理學家 有康普頓 居里夫人 布拉格等 在會議前期 首先是洛倫茲·布拉格和康普頓 分別對X射線和康普頓散射實驗做了報告 熱身結束後 量子理論的交鋒正式開始 德布羅伊先在報告中 介紹了他的德布羅伊波 並提出一種導波理論 他將波函數 視為引導粒子動作的一種向導波 具體細節這裡不詳述 德布羅伊的這個理論 缺乏因果的邏輯一致性 被懟天懟地懟空氣的泡利 站起來狠狠地批評了一頓 泡利通過一系列實驗結果 進行了反駁 證明此理論無法適當處理非彈性散射 最後德布羅伊頂不住炮火 放棄了自己的觀點 哥本哈根學派率先拿下一席 緊接著 薛定諤上來介紹了他的波動力學 但對於他的薛定諤方程 他仍堅持自己的那個傳統解釋 薛定諤認為 波函數或許是一個物理實在的可觀測量 他表示的是 電子的電荷在空間中的實際分佈 對於這個觀點 不僅哥本哈根學派這邊表示反對 連自己人愛因斯坦都表示難以接受 泡利則忍不住直接開懟 幼稚 海森堡則說的比較委婉 我從薛定諤的計算中 看不到任何東西 可以證明事實如同他所希望的那樣 薛定諤也承認 他的計算確實還不太嚴謹 但他依然堅持認為 所謂電子的軌道就是胡扯 波恩則回敬道 不,一點都不是胡扯 海森堡和波恩認為 波函數是個不可觀測量 波函數的平方代表粒子 在空間某處出現的概率 電子本身並不會像波那樣擴展開去 只是它出現的概率確實像一個波 嚴格地按照波函數的分佈展開 如此一來 量子規律本質上是統計性的 而非決定論的 在波恩和海森堡的集火輸出下 薛定諤最終也繳械投降 哥本哈根學派完成雙殺 最後是波爾演講 演講中他再次闡述了 他互補性原理的思想 主要是說 物質的波動性和粒子性 就像是硬幣的兩面 兩者是相輔相成不可分割的 它具體如何展現 取決於實際觀測的手段 在整場報告中 作為絕對C位的愛因斯坦 卻始終保持沉默 很少表態 即使發言也非常地謙虛 比如說 抱歉 我對量子力學研究得不太深 就簡單說點我個人的看法吧 而等到報告結束 進入自由討論環節時 愛因斯坦出手了 愛因斯坦的招數 是他最擅長的思想實驗 據當事人海森堡回憶 當時整個自由討論環節 很快就變成了一場 愛因斯坦和波爾之間的單挑 通常是在旅店一起吃早餐時 愛因斯坦就提出來一個思想實驗 說 如果先這樣再這樣 最後再這樣 那量子力學就有問題 請問你波爾該如何應對 一到中午 波爾就趕緊召集海森堡和泡利一起研究 然後晚餐時 波爾就破解了愛因斯坦的招數 然後晚上愛因斯坦 又想出一個思想實驗 第二天一大早 繼續甩給波爾 如此進行了好幾個回合 在這幾次交鋒中 最著名的是一個單縫實驗 假設有一個帶有單縫的遮光板 遮光板被一個超高精度的彈簧掛起來 當一個電子從縫中垂直穿過時 它會在上下方向上發生衍射 這是毋庸置疑的 根據動量守恆定律 如果電子在通過細縫後向上走 那麼遮光板就應該獲得一個往下的動量 彈簧就應該往下伸展一點點 反過來 如果電子往下 彈簧就應該往上 愛因斯坦說 根據彈簧的收縮情況 我們就能反推出電子通過單縫時的動量 同時 我又知道單縫的位置 那我就同時知道了電子的位置和動量 這不就違反了海森堡不確定性原理嗎 波爾乍一聽 有點懵 但是經過仔細討論和思考 波爾還是發現了問題所在 波爾反駁道 既然電子這種微觀粒子 都能讓彈簧發生一次震動 那遮光板和彈簧必須也是量子系統 而既然是量子系統 細縫本身的位置和動量 就已經具有不確定性 所以 也就不能根據細縫的位置和動量 來反推電子的狀態 這裡愛因斯坦混淆了宏觀世界和量子世界 愛因斯坦對此也無法反駁 第五屆索爾維會議 哥本哈根學派 輕鬆地以3比0結束論戰 愛因斯坦也逐漸意識到 量子力學不是那麼容易被推翻的 哥本哈根學派 從此在物理學界站穩了腳跟 但顯然 愛因斯坦打心裏還是不服氣的 三年後的第六屆索爾維會議 愛因斯坦有備而來 一上來就甩給波爾一個思想實驗 愛因斯坦在黑板上畫了一個盒子 假設盒子裏裝滿了光子 我們稱之為光盒 光盒裏有個鐘錶 光盒上有個可以開關的小孔 我們在某個約定的時間點 開啟小孔一段時間 讓一個光子飛出 然後稱一稱箱子的重量 根據智能方程 質量和能量是等價的 雖然光子的淨質量為零 但光子擁有能量 這等效於光子擁有一定的動質量 當光子離開光盒時 光盒的重量就會發生一個小小的變化 而我又知道光子飛出的精確時間 這不就違反了海森堡說的 能量和時間之間的那個不確定性原理嗎 注意 在這種實驗中 你不需要在實驗精度上糾結 畢竟這只是個思想實驗 我們可以假設所有儀器都是無限精密的 你要做的是從原理上找到它的漏洞 聽完愛因斯坦的這個實驗後 波爾當場大驚失色 據當事人羅森菲爾德回憶 我永遠也忘不了 這兩個對手離開會場時的情景 愛因斯坦的身影高大威嚴 嘴角掛著略帶一絲嘲諷的笑容 大踏步前進 波爾則是跟在後面一路小跑 在一旁激動地對愛因斯坦不停唸叨著 這不對啊 你這個實驗要真是對的 那物理學可就完蛋了 當天回去後 波爾茶飯不思 一直想到凌晨時分 終於恍然大悟 愛因斯坦犯了一個巨大的錯誤 第二天一大早 波爾向愛因斯坦發起了反擊 波爾說 要稱光合的重量 你總得使用儀器 我們不妨假設 光合是懸掛在一個無限精密的彈簧秤上 將控制小孔開關的快門 與箱內的時鐘相連 當光子飛出時 彈簧會往上收縮一下 彈簧的高度代表光合的重量 但是彈簧的高度有一個不確定性 這就代表了光合重量的不確定性 對吧 另一方面 根據你愛因斯坦的廣義相對論 越高的地方 時間就過得越快 對吧 所以 高度的不確定性 也代表了光合時間的不確定性 所以 質量和時間都有不確定性 仔細算一算 它正好滿足海森堡的不確定性原理 在這次交鋒中 愛因斯坦默認了時間是不變的 他忘記了自己的廣義相對論 面對波爾的這一手 以子之矛攻子之盾 愛因斯坦徹底破防了 經過這兩次與波爾的論戰 愛因斯坦不得不承認 量子力學 確實是有點東西的 其實至始至終 兩人的辯論都非常地友好 愛因斯坦 也並非你想像中那樣 是一個頑固的老頭 開玩笑 那可是敢於顛覆 千百年來的絕對時空觀 敢於廢除萬有引力的男人 愛因斯坦完全不否認 哥本哈根學派帶來的貢獻 一年之後 愛因斯坦還特地向諾貝爾獎委員會 推薦了薛定諤和海森堡 讓他們拿到了諾貝爾物理學獎 此後 歐洲政治局勢每況愈下 1933年 愛因斯坦移居美國 加入了普林斯頓高等研究院 未能參加第七屆索爾維會議 失去了大佬坐鎮 德布羅伊和薛定諤 自然也就掀不起什麼風浪 在第七屆索爾維會議上 他倆基本就是靜靜地 看著哥本哈根學派表演 雖然愛因斯坦 已經逐漸脫離了主流的物理圈 但他與波爾的較量仍在繼續 他承認量子力學在邏輯上是自洽的 但他總覺得 這裡面還是有點不太對勁 就比如 哥本哈根解釋認為 粒子在我們不觀測時 是處於一種模糊的量子疊加態 而我們一觀測 就瞬間隨機地 攤縮為某一個確定的狀態 這和愛因斯坦的世界觀嚴重不符 愛因斯坦認為 世界應該是客觀實在的 不受主觀影響的 你之所以覺得這是純隨機的 也許是量子力學本身還不夠完備 這裡面也許還有什麼別的機制 1935年 愛因斯坦發起了最後一擊 他和兩個同事合寫了一篇論文 標題是 《描述物理實在的量子力學是完備的嗎?》 論文中又提出了一個思想實驗 後人將該實驗 以三人的首字母命名 稱為EP2楊謬 EP2楊謬不但在物理學上 而且在哲學上 都達到了一個前所未有的高度 簡單來說 假設有一個大粒子 因為衰變等原因 分裂成兩個全同的小粒子 然後沿著直線 各自往相反方向分離 根據動量守恆 兩個粒子的動量時刻保持相反 所以它倆的位置也必定保持對稱 現在我先測量一下A的位置為x 也就相當於知道了B的位置為負的x 根據海森堡不確定性原理 測量A的位置會破壞A的動量 但這對B沒有影響 對吧 然後我再測量一下粒子B的動量 於是我就同時獲得了B的位置和動量 請問您海森堡如何解釋? EP2楊謬已經提出 哥本哈根學派立即大亂陣腳 波爾也立刻放下手頭所有工作全力應戰 經過一番討論 波爾給出的反駁是這樣的 首先由於AB兩個粒子 是由同一個大粒子分裂而來 所以它倆應該被看作 是由同一個波函數描述的一個整體 此時你測量A的位置 就等同於測量了B的位置 B的動量也就被影響了 此時你再去測量B的動量 那就已經不是之前的動量了 所以你還是不能同時獲得 A兩個粒子的位置和動量 但這一回愛因斯坦不買帳了 好傢伙 我這兩個粒子可以相隔幾光年之遠 如果測量A的狀態 立刻就能破壞B的狀態 那這不就成了一種 鬼魅般的超距作用了嗎? 後來薛定諤為了嘲諷波爾 說你的意思是 這兩個粒子難不成還能糾纏在一起? 這一次愛因斯坦沒有犯任何錯誤 愛因斯坦成功地論證了 你量子力學要想是對的 那這種鬼魅般的超距作用就必定存在 而這一點 連波爾自己都表示難以接受 這次論戰 將這兩個對手世界觀的差異 展現得淋漓盡致 愛因斯坦始終認為 世界應該是實在性的 是定義性的 也就是說 世界應該是獨立於 人類觀察者的客觀實在 並且不存在任何超光速的 順時相互影響 而波爾則認為 你所謂的客觀實在 與觀測的動作有關 在你觀測前 壓根就不存在所謂的客觀實在 觀測動作本身就是測量結果的一部分 總的來說 這一次 波爾和愛因斯坦 誰也沒有說服誰 這場爭論也並沒有繼續下去 在此後長達三十年間 那個鬼魅般的超距作用一直是個謎 愛因斯坦的質疑 也逐漸被世人所遺忘 直到後面 貝爾不等式的出現 以及量子糾纏實驗的成功 問題纔得到解決 這個我們後面再說 不過可惜的是 愛因斯坦和波爾 都未能親眼見到這些實驗結果 在生命的最後三十年裡 愛因斯坦一直都在尋找著一種 比量子力學更基本的理論 但受限於實驗技術水平 這註定是一條無比艱難的路 1955年 愛因斯坦因主動脈流破裂 孤獨地去世了 不久後的1962年 波爾也因心臟衰竭去世 就在波爾去世前一天 還用過的黑板上 人們發現了一個圖形 那正是愛因斯坦的光合 由 Amara.org 社群提供的字幕