理论教育 决定论与随机论:宇宙规则较量

决定论与随机论:宇宙规则较量

时间:2023-11-05 理论教育 版权反馈
【摘要】:薛定谔实在无法忍受,为了打击随机论的猖狂,他绞尽脑汁,搞出了一个“薛定谔之猫”,准备用这个猫将玻尔、玻恩送入尴尬的境况。不是的,有一位科学大腕始终坚定地与薛定谔站在一起,不断地向哥本哈根学派的阵地发起一次又一次的冲击,试图打破日益猖獗的随机论。有一位科学大腕始终和薛定谔站在一起,至死不渝,还不断向玻尔投掷手榴弹,恨不得将随机论的大本营——哥本哈根直接炸坍缩。

决定论与随机论:宇宙规则较量

面对哥本哈根学派咄咄逼人的气势,随机论一时间甚嚣尘上,压得决定论透不过气来。薛定谔实在无法忍受,为了打击随机论的猖狂,他绞尽脑汁,搞出了一个“薛定谔之猫”,准备用这个猫将玻尔、玻恩送入尴尬的境况。

一、薛定谔之猫

话说薛定谔找到了一只猫,名曰“薛定谔之猫”,他要用这只猫找回他在玻尔面前丢掉的面子,要用这只猫把玻尔打得满地找牙。对科学有兴趣的朋友,谁不知道大名鼎鼎的薛定谔之猫,但真正明白这个思想实验的人不多,原因首先是没有搞明白薛定谔之猫要达到一个什么效果,想要打击随机论的哪个部位。

前面说到,哥本哈根学派对电子衍射实验的概率性解释获得了实验的支持,这意味着宇宙其实是随机论而不是决定论的。这令薛定谔非常不安,因为他是一个决定论的信仰者。玻尔、玻恩这帮人,竟然用他建立的薛定谔方程、他搞出的波函数胡乱解释一番,将自然规律引向随机论,还获得了实验支持,是可忍孰不可忍。

但薛定谔也明白,他和哥本哈根争论的是科学问题,不是信仰问题,所以必须以逻辑或实验为路径,才能修理玻尔那帮人。于是他绞尽脑汁,搞了一个思维实验,试图一举击垮哥本哈根,直接把他打成“哈根达斯”。就这样,薛定谔之猫诞生了。

虽然很多朋友都听过这个实验,但我在这里还是要仔细介绍一下,以便大家能够真正参透它,明白薛定谔之猫为何能打击随机论。

让我们一起展开想象。将一只猫密封在一个盒子里,当然盒子里有充足的空气和食物,但还有一个毒药瓶,氰化钾密封在毒药瓶里。毒药瓶上有一个铁锤,铁锤由一个电子开关控制,而电子开关又由一个放射性原子控制。如果原子核发生衰变,则放出α粒子,触动电子开关,铁锤落下,砸碎毒药瓶,释放出其中的氰化钾气体,则猫必死无疑。

那铁锤何时会落下呢?这谁也不知道,因为没有人知道原子核何时衰变。所以只有打开盒子看一眼,才能确定这只猫是生是死。

3-4 薛定谔的猫

或许有人会追问,我们为何不计算出这个原子核何时衰变呢?这样不打开盒子,也就能知道猫的生死了啊。这一点我们在中学学过,没有人知道原子核何时衰变;两个完全一样的原子核,一个衰变了,另一个可能没衰变。我们只知道这个原子核的半衰期,也就是大量这种原子核衰变一半所用的时间,而无法知道某个具体原子核何时衰变。这样我们只能计算出,在某个时刻,箱子里的这个原子核已经发生衰变的概率。

那么,我们为什么不能算出某个原子核何时衰变?你若是决定论者,应当这样理解,我们目前还没有完全掌握原子核衰变的内在机制,只好退一步用概率研究其衰变的规律;一旦我们掌握了原子核衰变的内在机制,就可以准确预测某个原子核在何时衰变。你若是随机论者,看法就完全不一样了,你会认为,一个原子核是否衰变完全是一个随机过程,永远只能用概率来研究它,因为它本身就是随机的。

那么哥本哈根学派会如何解释原子核衰变呢?那就不只是随机的问题了,还会说得活灵活现、有鼻子有眼。他们会这样解读:在你没有观测这个原子核之前,也就是你没有打开盒子之前,这个原子核处于各种可能状态的叠加,也就是处于衰变和不衰变的叠加态。只要你一观察,也就是你一打开盒子,这个叠加态就会突然发生坍缩,要么坍缩为衰变,要么坍缩为不衰变。

说到这里,估计有人着急了,那又咋了,不就是你刚才讲的态叠加原理吗。大家不要忘了箱子里还有一只猫,一只薛定谔精心放置的可怜的猫,这一招很阴险。为啥这样说?大家想想,按照哥本哈根的说法,盒子在没打开前,控制电子开关的原子核处于衰变和不衰变的叠加态,那箱子里的猫岂不是也处于死与活的叠加态吗?而一旦打开盒子观察,随着原子核坍缩为衰变或不衰变,处于叠加态的猫也就坍缩为死或生。

那又咋了?估计还有人不解,这下子薛定谔就着急了。按照哥本哈根的解释,盒子在未打开观测前,猫竟然处于死与活的叠加态。然而基本常识告诉我们,猫要么是活的,要么是死的,怎么能处于既死又活的状态呢?这不是违反了最基本的常识了吗?为何会出现如此荒谬的结论呢?只能说哥本哈根学派的解读是错误的,态叠加原理,纯粹胡扯。

是的,薛定谔猫的确打了玻尔、玻恩的脸,但科学从来就没有平坦的大道,只有不怕打脸、不怕猫抓的人,才能到达光辉的顶点。玻尔、玻恩虽然被薛定谔猫抓破了脸,但他们坚持用概率来求解薛定谔方程,所求得的各种结果都获得了实验的完美证实。于是,大多数物理学家都倒向了哥本哈根学派,也就是倒向了随机论。

难道只有薛定谔一个人在孤军奋战,还在坚守决定论的阵地?不是的,有一位科学大腕始终坚定地与薛定谔站在一起,不断地向哥本哈根学派的阵地发起一次又一次的冲击,试图打破日益猖獗的随机论。

二、爱因斯坦坚信:量子力学不完备

薛定谔从来就不是孤单的。虽然量子力学不断获得实验的证实,但信仰的力量有时更为强大,几百年来科学家所信奉的因果律、所坚守的决定论,岂是哥本哈根的一派“胡言”所能动摇的?有一位科学大腕始终和薛定谔站在一起,至死不渝,还不断向玻尔投掷手榴弹,恨不得将随机论的大本营——哥本哈根直接炸坍缩。这位大腕就是阿尔伯特·爱因斯坦。

3-5 玻尔和爱因斯坦正在讨论问题(1925年)

爱因斯坦是决定论坚定的信仰者,认为未来的一切都是确定的,一个完备的物理理论应该像牛顿力学、相对论那样,给出精确、唯一的预测,而不是像量子力学那样,只能给出事件发生的概率。他尤其不能接受的是:世界本来就是随机的,一切都是概率,上帝是掷骰子的。

爱因斯坦认为是现有的量子力学无法发现微观粒子的因果关系,才退而求其次来计算概率。

但爱因斯坦也注意到,量子力学所求得的概率与实验结果匹配得非常好,于是老爱这样断言了:量子力学虽然没错,但它是不完备的。啥意思?就是说还有一个隐含参数在决定粒子的行为,只不过人们没有发现这个参数;一旦这个参数被发现,粒子的行为就可以完全确定。具体来说,完全相同的电子通过狭缝后为何会落在荧光屏的不同位置,是因为这些貌似完全相同的电子其实有区别,只不过这个有区别的参数还没有被发现,就是这个未被发现的参数决定了它们应该落在荧光屏的哪一个位置。

于是,爱因斯坦与玻尔进行了三次世纪大辩论。爱因斯坦说:“上帝绝不掷骰子。”玻尔回应:“汝非上帝,安知上帝不掷骰子乎?”爱因斯坦一时无言以对,因为他没有看过庄子与惠施的故事,要不然他可以这样反驳:汝非我,安知我不知上帝不掷骰子乎?(www.daowen.com)

爱因斯坦与玻尔几次过招都落于下风,更关键的是,爱因斯坦也一直没有构建出他理想中的含有隐含参数的量子力学,所以他对决定论只能先停留在信仰层面,无法在科学层面上与玻尔较量。

爱因斯坦的两个助手一看爱因斯坦招架不住,决定来个三英战吕布,三人合伙搞了一个悖论,名曰EPR悖论,试图用归谬法来打击哥本哈根学派。EPR正是三人的首字母缩写,分别是爱因斯坦、波多尔斯基和罗森。

这EPR悖论的具体内容,这里不细说。但我们可以围绕决定论还是随机论这个主话题,比较形象地表达一下。

爱因斯坦三人在这里玩了一个归谬法,如果量子力学真如玻尔所云:不但正确而且完备,那么以之为基础,就会推出一个极其荒谬的结论——量子纠缠。

量子纠缠极其荒诞,意思是说:一旦AB两个粒子发生过纠缠……这样说太难听,换个说法:只要A粒子与B粒子曾经牵过手,那么以后无论二者相隔多远,哪怕分别在宇宙的两端,如果你把A粒子拍打一下,B粒子马上会有反应,中间不需要任何时间。

3-6 1935年5月4日,《纽约时代杂志》头条:“爱因斯坦及两位同事对量子力学理论发起挑战,认为量子力学是不完备的,缺失的部分最终会得到解释。”

各位读者,这个量子纠缠荒诞不?若果真如此,岂不是见鬼了?爱因斯坦基于量子力学得到如此荒谬的结论,别提有多高兴了,于是写信告知铁杆盟友薛定谔。薛定谔此时正在养猫,看到爱因斯坦的来信,兴奋地大喊:“爱因斯坦抓住了量子力学的燕尾,我薛某人再用猫抓一下玻尔的脸皮,决定论将东山再起。”

此刻的爱因斯坦更是意气风发,想着量子纠缠一定能压倒玻尔。于是他拿着量子纠缠的结果,指着玻尔的鼻子说:“看一看,瞧一瞧,量子力学就能推出如此见鬼的结论,你还相信这个理论是完备性的、上帝是在掷骰子吗?”一时间玻尔无言以对,想了一两天后,玻尔回应道:“既然量子力学推算出来是这样,那事情就应该是这样,谁让它两个曾经牵过手?一旦牵过,那就会永远纠缠下去。”

爱因斯坦彻底崩溃了,质问玻尔:“你做人还有底线吗?”

三、随机论的胜利:量子纠缠的证实

但更令爱因斯坦崩溃的还不是玻尔的底线,而是在爱因斯坦去世二十五年后,量子纠缠竟然获得了实验的证实。

人世间最大的讽刺莫过于此,爱因斯坦为打击量子力学的完备性推出量子纠缠,本想着用来否定量子力学的随机论,但没成想,量子纠缠竟然是事实,是客观存在。爱因斯坦竟然是第一个从理论上推导出量子纠缠的人!九泉之下的爱因斯坦,当他知道又一个物理学重大发现又要记在他的名下时,估计九泉都被他哭成黄泉了。所以说,在科学的路途上从来没有平坦的大道,只有不怕打脸、敢于泪洒黄泉的人,才能到达光辉的顶点。

量子纠缠就意味着粒子之间有着幽灵超距作用。所谓超距作用,就是两个物体虽然相隔一定距离,但存在着直接、即时的相互作用;也就是说,它俩之间的相互作用不需要任何媒介,也不需要传递时间。这个观念早就有,但后来被爱因斯坦否定了,因为相对论认为光速是极限速度,超距作用不需要时间,不就等于说超距作用要比光速还要快无穷倍吗?

这里必须要将量子纠缠的实验证实过程介绍一下。

3-7 量子纠缠居然被实验证实了

20世纪60年代,爱尔兰物理学家约翰·贝尔提出了一种检验方法,可以区分出粒子到底是符合爱因斯坦的隐变量理论,还是量子力学的“鬼理论”,即幽灵超距作用。结果在1981年,法国科学家第一次做了贝尔实验,实验结果支持幽灵超距作用。这对西方的哲学界、科学界和宗教界都产生了巨大震动,实验结果的确太违反我们的常识、我们的直觉,但它真的被实验所证实了。

但实验总会有误差,所以还是有很多人不信这个“幽灵”。实验物理学家不断完善贝尔实验,出来的结果都是支持“鬼”的。尽管如此,还是有很多物理学家宁可相信爱因斯坦的“隐”,也不愿意接受量子力学的“鬼”,这幽灵超距实在无法理解。两个粒子一旦相遇过,无论以后相距多远,把这个“打”一下,另一个马上就知道,无需任何时间,就算是“鬼”,也不能如此过分啊。但科学不是宗教,不能仅仅以信仰做支撑,它需要实证。面对这么多实验在支持幽灵超距作用,反对“鬼”的物理学家依然持有这种期盼:是这些实验有探测漏洞,导致实验结果不对。事实证明这些实验确实有探测漏洞,所以双方依然相持不下。

时间到了2015年8月24日,荷兰代尔夫特理工大学的物理学家罗纳德·汉森在网上公布其最新实验,彻底粉碎了爱因斯坦的隐变量理论,判决性地支持了幽灵超距作用:两个粒子只要曾经纠缠过,即便以后相隔亿万里,它俩还会以某种未知的方式纠缠在一起,其中一个心痛,另一个马上感知,这大概就是宇宙中的爱——“大爱无疆”。

关于量子纠缠,这是一个极大的话题,它对人类三观的冲击甚至超过了量子力学的随机论,以后有机会再做展开。

四、结束语

最后,笔者也要表个态,虽然目前的实验都是有利于哥本哈根学派的,但我依然倾向于决定论,因为我相信因果律。我依然相信,微观粒子貌似随机的行为,其实是因为我们没有发现其内在的某些参数,一旦把握这些参数,我们依然可以缔造决定论的微观理论。这些参数为何难以把握,或许它们隐匿过深,或许因为它们存在于四维时空之外。

总之,决定论与随机论之争还远远没有结束,只有让未来科学的发展给予我们更加确切的回答。

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