爱因斯坦为什么不相信“上帝会掷骰子”？

明曲

爱因斯坦为什么不相信“上帝会掷骰子”？

   作为20世纪最伟大的物理学家之一，爱因斯坦生前的一言一行都备受关注，其对新量子力学的质疑曾引起学界争论。

      上个世纪，和相对论并重的另一大理论就是隔壁班的量子力学。

      量子力学的建立以1900年普朗克提出的能量量子化为标志。1905年，爱因斯坦在能量量子化的概念基础上提出来光量子假说，大力推动了量子力学的发展。

      普朗克和爱因斯坦可以算作是量子力学的第一代耕耘者。他们也被视为旧量子理论的创始人。之后量子力学的话语权落到以玻尔为首的哥本哈根学派手中。 除此之外，对微观世界的解释还有多宇宙诠释理论。哥本哈根学派和多宇宙诠释理论一并被称为新量子理论。当然，哥本哈根学派的影响力远远碾压了后者。文中所说的新量子论特指哥本哈根学派。

      开始正文之前，我必须强调，爱因斯坦对新量子论的质疑在目前看来是错误的，但也不得不承认他的质疑也推动了新量子论的发展。

      文中资料参考了爱因斯坦文集以及官方记载的本人谈话资料。笔者只是从爱因斯坦的角度谈谈量子力学发展的曲折历程，并非为爱因斯坦翻案。

      在1905年，爱因斯坦提出来了光量子概念，第一次用量子概念解释了光电效应。物理学家兴奋不已，不得不感叹新理论第一次崭露头角就如此锋利，解决了人类数千年来对光本质的困扰。

      虽然这个时候(1905年)人类已经发现了电子，但对原子内部的认知还停留在汤姆森的西瓜模型中(又译葡萄干蛋糕，枣糕模型等等)。

西瓜模型

      人们在那时已经知道原子中有带正电和带负电的粒子。还知道原子整体呈现出电中性，于是推断出：原子内的正负电荷一定刚刚好地抵消掉了。自然而然就会联想到原子内部的正电和负电均匀镶嵌在原子中，就像西瓜籽镶嵌在果肉中一样。这就汤姆逊原子模型。

      直到1909年，卢瑟福通过α粒子散射实验发现原子中有个很大的核，这个核带正电，并且集中了原子总质量的99%以上，原子核外面是电子，并且很空旷。基于实验，卢瑟福提出来原子的行星模型。认为电子绕原子核作圆周运动，就像行星绕恒星一样。

行星模型

      与此同时，人们发现行星模型具有重大缺陷，因为绕核作圆周运动的电子势必有加速度，并会释放能量，导致轨道越来越低，直至落到原子核内。这样的话，原子核外就没有电子了，那为什么我们还能继续观察到电子呢？这就是行星模型的致命之处。

      其实不管是汤姆逊还是卢瑟福，都在用经典物理的思维解释原子模型。这在一点上，爱因斯坦是喜闻乐见的。直到玻尔开始用量子的概念对原子模型解释后，情况才变得愈发激烈起来。

      玻尔认为，核外电子的轨道应该分成不同能级，电子辐射了能量会同时降到低能级上，吸收了能量会跳到高能级上。

玻尔能级理论

      这种解释让电子的运动第一次变得诡异起来。人类不理解，电子是如何变轨的？也不清楚电子为什么没有固定轨道。

      随着量子力学的发展，物理学家发现对于单个电子，就无法同时测量出它的速度和位置，而不得已用波数和振幅描述电子的轨道。

      在1926年，海森堡和爱因斯坦的谈话中，海森堡给爱因斯坦解释到，我们没有办法测量电子的可观察量，我们不能得到电子运动的十分准确的位置和速度信息。但是我们可以用概率描述电子的运动，尽管这样很粗糙，但也是科学的，毕竟经典物理学中也常会用波数和振幅表达某一物理量。

      爱因斯坦反驳到，这样做只是一个理论的过渡时期而已。因为我们还没有能力了解电子的真实运动。

      就好比我们并不是不能精确预测天气，而是没有能力记录每个空气分子的运动以及它们之间的相互作用。如果可以做到这些，那我们就能精确预测天气。雾霾颗粒做布朗运动，不是说自然世界就没有规律可言，而是我们不了解每个雾霾颗粒之间撞击力度和方向而已，才不得已用布朗运动描述它们。

      在1927年第五次索尔维会议上，爱因斯坦同样表达了相似观点。在爱因斯坦看来，现在用电子云描述电子的轨道并不是电子真实的运动情况。

      哥本哈根学派总是用概率粗略的描述一群电子的运动规律，而不能准确地描述单个电子真实的运动规律。这只能说明量子力学是不完备的，真正完备的量子力学肯定可以描述单个电子精确的运动规律。

      信奉物理实在论的爱因斯坦，的确不会相信哥本哈根学派对电子运动如此诡异的解释。

      而玻尔回怼爱因斯坦：不要惊讶，电子只能用概率波描述，这不是因为我们没有能力，而是自然世界本该如此。

      爱因斯坦肯定恼火不已，在他看来，自然世界的现象是实在的，精确的。用概率描述自然现象只是人在研究微观粒子的过程中采用的一种不得已的手段，这种手段可以是概率统计，但背后对应的自然现象绝不会是扑朔迷离的概率波。

      在1919年，爱因斯坦曾写信给玻恩说到：我们应该对新量子论的成功感到羞愧。因为他们的灵感来自耶稣会的座右铭“不可让你的左手知道你的右手所做的事”。如果真是新量子论描述的那样，那么自然世界就变得没有确定性了。我是不相信我们无法精确预测电子的运动，就证明它具有自由意志。

电子云

      1926年，同样是在给玻恩的信中，爱因斯坦明确表示：“我无论如何都深信上帝不是在掷骰子”。

      1924年，爱因斯坦给贝索的信中说到：我认为我在量子力学坚持的观点是对的。暗指他们(指玻尔等人)误入了歧途。

      在1949年给贝索的信中。爱因斯坦说到，他并不是反感量子力学用概率统计的方式定量分析微观粒子的运动。而是反感他们居然把这种不确定的概率当成自然世界应有的本质。

      当然，爱因斯坦也并不闲着。

      在对量子纠缠的问题上，爱因斯坦提出来这样一个假设：观察纠缠粒子的其中一个，并同时知道另一个粒子的信息并不是什么鬼魅的超距作用。就好像随机往两个盒子内放入一双手套，把一个盒子放在房间内，另一个盒子拿到南极。要是我打开房间里的盒子发现为左手套，也同时知道远在南极的盒子为右手套，这是逻辑推理。

      爱因斯坦深信，量子纠缠是由于纠缠粒子分开的那一刻已经决定了一切，就好像左右手套一样。新量子力学对量子纠缠的解释很诡异，只能说明他们的理论不完善，并没有完全搞懂量子纠缠内部的作用机制而已，或许导致量子纠缠的出现是某种未知作用在作祟。      

      在爱因斯坦眼里，量子力学的不完备才导致了譬如概率波，叠加态，量子纠缠等稀奇古怪的解释。

量子纠缠

      1935年，爱因斯坦曾经联合罗森等人提出来“EPR佯谬”，用于质疑量子力学的不完备性。爱因斯坦认为量子纠缠不能超光速，并且实验结果并不因人的观察行为而改变。

      不能超光速就意味着：在某一区域，不能存在超光速行为，这叫定域论。观察结果不因人而异叫实在论。在经典物理学中，正确的理论预测的结果总是一样的，不管你在哪里做实验都是一样的，除非实验有问题。这就是实在论。爱因斯坦坚持的思想就是定域论和实在论，简称定域实在论。

      1964年，贝尔提出来贝尔不等式给爱因斯坦和新量子论做裁判。

      答案显而易见，爱因斯坦错了。但贝尔实验一直饱受有漏洞的诟病。直到2016年开始，科学家利用超过10万人的自由意志做了升级版大贝尔实验。

      实验结果于北京时间2018年5月10日公布了，其结果强有力地证明了爱因斯坦的定域实论是错的， 量子力学理论是对的！经历了100年，我们终于可以为新量子力学洗白了！

      但是还有人不甘心，毕竟这10万人都在地球上，只有排除了任何光速以下的“隐变量”，才能证明量子纠缠的确是“魔鬼般的超距作用”。

      科学家接下来计划在月球上做贝尔实验。到时候全民又有机会参与这样伟大的实验了。

转自：https://mp.weixin.qq.com/s/ekn4B9bGrZjYKghVO-CGkg