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愛因斯坦與哥本哈根詮釋的世紀之懟,說明雙方理論水火不容嗎?

不少人認為,愛因斯坦的相對論與量子力學格格不入,是兩個完全水火不容的理論體系,所以才有了世紀之懟。事實果真如此嗎?

實際上,科學界從來也沒有認為量子力學與相對論格格不入,說這話的幾乎都是民科或者科學素養缺失,卻又老喜歡做不知為知知的人。

創立了廣義相對論和狹義相對論的偉大科學家愛因斯坦,就同時是量子力學的創始人。他獲得了1921年諾貝爾物理學獎的論文,不是相對論,而是一篇叫《關於光的產生和轉化的一個推測性觀點》的論文。

這篇論文是介紹光電效應以及光量子特性研究的。光電效應並不是愛因斯坦發現的,早在1887年赫茲就發現了這種神奇現象,但後來一直沒人能夠解釋出這種現象。

愛因斯坦第一個成功的解釋了這個現象,認為導致光電效應的不是一群連續波動的粒子,而是一群離散的粒子,他把這些粒子稱為光子(光量子)。

所謂光電效應,是指當一定頻率的光照射在金屬上,會引起金屬電性質的變化,導致金屬內部的電子擺脫原子核束縛,形成電流。

他指出,每個光量子所攜帶的能量等於光的頻率乘以普朗克常數,當光量子攜帶的能量大於金屬的極限頻率時,一個光子就可以使一個電子從金屬中逃逸,這樣就形成了由光電子形成的電流,這就是光電效應原理。

量子這個概念是物理學家普朗克之前五年就提出了的,但沒引起科學界的關注。愛因斯坦光量子概念的提出,激活了普朗克的理論,開啟了量子力學的大門。

後來愛因斯坦在量子力學方面還做出過許多貢獻。

如1924年,與印度物理學家波色預言了波色~愛因斯坦凝聚態這個新的物質形態。1995年,麻省理工學院的沃夫岡·凱特利與科羅拉多大學博爾德分校的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼,使用氣態的銣原子在170 nK的低溫下首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚,證實了這個預言。2001年康奈爾、威曼和凱特利為他們的研究結果共享諾貝爾物理獎。

1935年,提出了引起世紀之爭的EPR悖論,這個悖論以提出者愛因斯坦、波多爾斯基、羅森三位科學家名字的第一個字母命名。

這實際上是為了論證量子力學的不完備性而提出的一個佯謬,這個理論引起了科學界的巨大爭論,由此推動了量子力學的發展,量子糾纏理論就是在這個辯論中越來越成熟的。

這個理論,是愛因斯坦與哥本哈根派論戰幾十年的一個核心。

愛因斯坦及其支持者,反對哥本哈根詮釋中的波函數概率描述,這種爭論一直到愛因斯坦的去世。

愛因斯坦的主要觀點是「上帝不會擲骰子」。其中的含義就是認為量子的一些奇異的運動狀態,測不準定律、不確定性原理等,這些概率性、隨機性等描述並不完備,有很多深層次的原因尚不清楚。這其中會有一些「隱變數」,後面一定有一個「完備理論」。

愛因斯坦認為,世界上一切都有不以人的意志為轉移的客觀規律,規律這個「上帝」是不會「擲骰子」的。

薛定諤和貝爾都是愛因斯坦觀點的支持者。

薛定諤為了反擊量子力學哥本哈根詮釋,設計了一個思想實驗,就是薛定諤的貓。

這隻被關在暗箱中的貓,由於量子理論的不確定性,處於又死又活的疊加態,不觀察不知道死活,一觀察就導致疊加態坍塌,結果才會出現。

他提出這個實驗,意在諷刺量子力學既死又活的狀態違背了邏輯,試著用一個思想實驗來檢驗量子理論隱含的不確定之處。

同時,他提出了薛定諤波動方程。

結果不但沒有反掉對手,波函數坍塌理論反而成為了量子力學的重要理論,這樣無心插柳的薛定諤方程,成為了量子力學的理論基石。

貝爾設計了一個實驗,叫貝爾不等式,就是為了證明量子詭異性背後是不是有深層次的原因,也就是所謂的「隱變數」。

如果貝爾不等式成立,即存在關於局域隱變數的物理理論可以複製量子力學的每一個預測,就是說愛因斯坦等人希望「完備理論」是存在的,反之,則哥本哈根派勝出。

貝爾不等式客觀上給愛因斯坦派和哥本哈根派起到了一個裁判作用,把他們之間的爭論演化成一個實驗。令愛因斯坦派失望的是,這個實驗做了幾十年,貝爾不等式一直不成立,哥本哈根派勝出。

但不管怎樣,愛因斯坦依然是量子力學的鼻祖,而且他的幾位支持者也成了量子力學的奠基人和大師。

總體上說,相對論管的主要是宏觀領域的現象,這個理論迄今經歷了無數的發現和驗證,都是正確的。相對論預言的許多重大存在,都一一得到了應驗。

如引力波、黑洞、時空彎曲、引力透鏡等等,都得到了驗證。而且,這些發現者和研究者許多得到了諾貝爾物理學獎,但愛因斯坦這位相對論鼻祖卻反而沒因為相對論得到這個大獎。

量子力學主要是描述微觀領域的理論,量子領域的一些奇異古怪的特性與現象,在宏觀領域是不存在的。

但是,宏觀的一切,都是這些微觀領域的物質組成的,這些奇異現象的研究和認識,必將推動人類對我們這個世界最本質的認識。

這兩個理論一大一小,正在對現代社會生活產生著重大影響。它們更多的是相互相成,說它們格格不入是不準確的,甚至是錯誤的。

科學研究發現,我們這個世界的一切運動,都是在四種基本作用力支配下進行的,這四種作用力就是萬有引力相互作用力、電磁相互作用力、強相互作用力、弱相互作用力。

一般來說,支配天體運行和宏觀世界萬物的力主要是萬有引力和電磁力,而微觀運動主要是強力和弱力。

這些基本作用力,有沒有一個統一的基礎呢?也就是有沒有一個更為簡單的理論和公式,把這四種力的最基本本質概括出來呢?

這樣就誕生了一個大統一理論,就是為了統一世界上四種基本力的理論。

實際上找到了統一四種基本力的鑰匙,就能夠把相對論和量子力學統一起來。

現在電磁力和弱力已經得到了統一,強力的加入也早已露出了曙光,只是引力還沒有頭緒。

引力場論,是愛因斯坦廣義相對論裡面最重要的筋骨,而引力場論的基石就是引力相互作用。

所以,引力的最深層次本質如果能夠與其他三種力得到統一,就是量子力學與相對論統一的時候。

現在科學界比較看好的是弦理論,被認為是統一四種力,並更好解釋宇宙最有希望的理論。

科學研究就是從表象發現內在本質的過程。紛紛擾擾的世界看起來很複雜,其實真正認識了其本質和規律,就會變得很簡單。

就像變魔術,看起來很詭異很燒腦,如果告訴你謎底,就會發現是那麼的簡單,簡單得甚至令你大失所望。

科學也是這樣,愛因斯坦發現了質量與能量的當量關係,發現了引力根源是質量對時空的擾動,使這個世界變得更加簡單和透明。

未來量子力學與相對論的結合,世界將變得更為簡單而光明。

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