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深度科普:愛因斯坦曾說過“一切都是安排好的”,到底什么意思?

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1927 年 10 月,比利時布魯塞爾的國際索爾維物理研究所迎來了一場科學界的盛會 —— 第五屆索爾維會議。這次會議主題為 “電子和光子” ,堪稱物理學界的 “全明星” 聚會,世界上眾多頂尖物理學家齊聚一堂,共同探討重新闡明的量子理論。



在這場會議上,誕生了一張被譽為匯集全球三分之一智慧的照片,照片中的 29 人中有 17 人獲得或后來獲得諾貝爾獎 ,其中最為耀眼的兩顆明星當屬愛因斯坦和玻爾,他們之間的激烈爭論成為了此次會議乃至科學史上的經典一幕。

當時,量子力學的發展如日中天,新的理論和觀點不斷涌現。海森堡提出的不確定性原理指出,我們無法同時精確地測量一個微觀粒子的位置和動量,這一觀點直接挑戰了經典物理學中關于確定性和可預測性的傳統觀念。



與此同時,玻爾提出的互補原理也引起了廣泛關注,他認為微觀粒子的波粒二象性是互補的,在不同的實驗條件下,粒子會表現出不同的性質,這兩種性質不能同時被觀測到。

愛因斯坦,這位相對論的創立者,一直堅信宇宙是有秩序、有規律的,運動和演化都是可以被科學定律所描述的。他無法接受量子力學中這種不確定性和隨機性的觀點,認為這違背了因果律。

在會議上,他神情嚴肅,言辭堅定地表達著自己的觀點,試圖通過一系列思想實驗來反駁量子力學的不確定性原理。他就像一位堅守傳統物理學陣地的勇士,對量子力學的新觀點發起了一輪又一輪的攻擊。

而玻爾則是量子力學的堅定捍衛者,他思維敏捷,邏輯嚴密,每次都能巧妙地回應愛因斯坦的質疑。面對愛因斯坦的挑戰,玻爾總是能從不同的角度進行分析和解釋,用自己的理論和觀點來化解愛因斯坦的攻勢。他和愛因斯坦的爭論,就像一場精彩的辯論賽,雙方你來我往,互不相讓,每一次交鋒都引發了在場物理學家們的深入思考。

他們的爭論吸引了眾多物理學家的關注,海森堡、泡利等年輕一代的物理學家站在玻爾一邊,支持量子力學的新觀點;而薛定諤、德布羅意等則對愛因斯坦的看法表示理解和認同。整個會議現場充滿了濃厚的學術氛圍,物理學家們各抒己見,激烈討論,共同推動著科學的發展。

愛因斯坦所支持的決定論,有著深厚的歷史淵源和科學基礎。



在經典物理學的輝煌時代,牛頓的力學體系如同一座巍峨的大廈,屹立在科學的巔峰。它以簡潔而優美的數學公式,成功地描述了宏觀物體的運動規律,從天體的運行到日常生活中物體的運動,都能在牛頓力學的框架下得到準確的解釋和預測。在這個體系中,宇宙就像一臺精密的機械裝置,所有的物體都按照確定的規律運動,只要知道了初始條件和相關的物理定律,就能夠精確地預測未來的狀態。

這種決定論的觀點,深深扎根于人們的科學認知和哲學思考中。拉普拉斯的 “決定論” 思想更是將其推向了極致,他提出了著名的 “拉普拉斯妖” 概念。

想象有一個全知全能的 “妖”,它能夠知曉宇宙中所有粒子在某一時刻的位置和速度,并且掌握了所有的物理定律,那么它就可以根據這些信息,精確地計算出宇宙在未來任何時刻的狀態,也能夠追溯宇宙在過去任何時刻的狀態。這意味著,宇宙的未來和過去都已經被確定,一切都是必然的結果,不存在任何隨機性和不確定性。

愛因斯坦深受這種決定論思想的影響,他堅信自然界的每一個現象都有其確定的原因和結果,物理理論應該能夠提供對自然現象的確定性描述。



他在相對論的研究中,成功地揭示了時間、空間和引力的本質,展現了物理規律的確定性和可預測性。因此,他認為量子力學中的不確定性原理只是一種暫時的現象,背后一定隱藏著尚未被發現的規律,一旦這些規律被揭示,量子世界的行為也將變得可預測。

而以玻爾為代表的哥本哈根學派則主張概率論。他們認為,量子世界的本質是概率性的,不確定性是微觀世界的固有屬性,并非由于我們的認知不足或測量手段的限制。

在量子力學中,微觀粒子的狀態不能用確定的位置和動量來描述,而是用波函數來表示,波函數給出了粒子在不同位置出現的概率分布。當我們對粒子進行測量時,波函數會瞬間坍縮到一個確定的狀態,但在測量之前,粒子處于一種概率疊加的狀態,具有多種可能性。



例如,在著名的雙縫干涉實驗中,當單個電子通過雙縫時,它會在屏幕上形成一個概率分布圖案,而不是像經典粒子那樣沿著確定的路徑運動。這表明,電子在通過雙縫時,似乎同時通過了兩條縫,并且與自身發生了干涉,這種現象無法用經典的決定論來解釋,只能用量子力學的概率論來理解。

哥本哈根學派的概率論觀點,顛覆了人們對自然界的傳統認知,引發了巨大的爭議。愛因斯坦對此深感不滿,他認為這種觀點違背了因果律,讓物理學失去了確定性和可預測性。他曾在給玻恩的信中寫道:“量子力學令人印象深刻,但是一種內在的聲音告訴我它并不是真實的。

這個理論產生了許多好的結果,可它并沒有使我們更接近‘老頭子’(上帝)的奧秘。我毫無保留地相信,‘老頭子’是不擲骰子的?!?愛因斯坦堅信,一定存在某種尚未被發現的 “隱變量”,這些隱變量決定了量子世界的行為,使得量子世界實際上也是確定的、可預測的,只是我們目前還沒有找到它們而已。



愛因斯坦對量子力學中最底層規律的隨機性深感不滿,這是他說出 “一切都是安排好的” 這句話背后的重要原因之一。在他看來,這種隨機性與傳統物理學中所強調的因果律和確定性原則相沖突。他堅信,自然界的一切現象都應該有其明確的因果關系,物理理論應該能夠對自然現象做出確定性的描述。

量子力學中的不確定性原理表明,微觀粒子的某些物理量,如位置和動量,不能同時被精確測量。這意味著微觀粒子的行為具有隨機性,我們只能用概率來描述它們的狀態。



例如,在電子的雙縫干涉實驗中,單個電子通過雙縫后,其在屏幕上的落點是隨機的,無法準確預測。這種隨機性讓愛因斯坦難以接受,他認為這只是因為我們目前還沒有掌握足夠的信息,或者存在尚未被發現的物理機制。

他提出了隱變量理論,認為在量子力學的背后,可能存在一些隱藏的變量,這些變量決定了微觀粒子的行為,使得它們的運動實際上是確定的、可預測的 。

就像在宏觀世界中,我們可以通過牛頓力學精確地計算物體的運動軌跡一樣,愛因斯坦希望在微觀世界中也能找到類似的確定性規律。他認為,量子力學中的不確定性只是一種表面現象,一旦我們發現了這些隱變量,就能揭示出微觀世界的真正規律,從而消除量子力學中的隨機性。

愛因斯坦一生都在追求宇宙的終極規律,他堅信存在一種絕對的、統一的物理真理,能夠解釋宇宙中的一切現象。



他所說的 “上帝不會擲骰子” 中的 “上帝”,實際上就是他對這種宇宙最終真理的一種隱喻。在他的觀念中,宇宙是一個和諧、有序的整體,所有的物理現象都遵循著一定的規律,這些規律是客觀存在的,不以人的意志為轉移。

愛因斯坦在相對論的研究中,深刻地揭示了時間、空間和引力之間的內在聯系,展現了物理規律的簡潔性和優美性。他認為,這種簡潔和優美是宇宙終極規律的體現,宇宙的運行就像一臺精密的機器,每個部件都按照既定的規則運轉,一切都在有條不紊地進行著。

他對宇宙終極規律的堅信,源于他對科學的熱愛和對真理的執著追求,這種信念支撐著他在科學的道路上不斷探索,即使面對量子力學的挑戰,他也始終沒有放棄對確定性和因果律的堅守。



他晚年致力于統一場論的研究,試圖將引力、電磁力、強力和弱力這四種基本相互作用統一在一個理論框架下,尋找那個能夠解釋宇宙萬物的終極方程。

他相信,一旦找到這個統一場論,就能揭示宇宙的終極奧秘,實現物理學的大一統。雖然他最終未能完成這一偉大的目標,但他的探索精神和對宇宙終極規律的執著追求,激勵著無數后來的科學家繼續前行。

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