伟大的物理学家爱因斯坦曾经说过一句话“上帝是不会掷骰子的!”,
这句话源于与玻尔辩论的第五届的索尔维会议上,意思是世界万物都具有确定性。
那么世界万物是否真的具有确定性呢?这就要进入《上帝掷骰子吗?》
这本书中,和科学家们一起来探讨这个问题,
关于这个问题的回答,一定离不开量子力学的理论,而量子力学的诞生离不开传统物理学家研究的一个问题:
“光是什么东西?”
远古时期,人们的脑子还没有开化,所以他们不把光当做实在的事物,人们认为,世界上有三种不同的光,眼睛、被看到的物体和光源,
到了罗马时期,人们认为光源是直接到达到人的眼睛的,而到了公元1000年,人们才把光源和眼睛分离开来,
但他们还是没有解决本质上的问题:
“光本质上到底是个什么东西?”
古希腊时期,有物理学家站出来称光是非常细小的粒子流,同时,又有其他的物理学家称,既然声音是一种波,为什么光不能是一种波呢?
物理学家们为了搞清楚这个原理而争论不休。于是物理学家们形成了两个派别,粒子派和波派,
粒子派的代表人物是伟大的力学发现者牛顿,而波派的代表人物是发现量子的普朗克和推出相对论的爱因斯坦。
当然,“第一次微波之争”并不是这两派位于不同时代的代表人物,和牛顿对立着是当时荷兰的一位物理学家惠更斯。
他们通过光的折射进行争斗,比如说,把一根筷子放在水中,水中的筷子就会像被折断了一样,这就是折射。
在牛顿看来,折射的原因在于光在水中受到了力,所以光在水中的速度要比在水外的速度快,于是就发生了折射,
但惠更斯认为光波进入水中后,速度就变慢了,筷子才发生了折射,他们两个人的观点恰恰相反,
但在那个年代,技术还有所欠缺,物理学家们并没有办法去测量光速,
而面对两个完全不一样的观点,专家们也都因为牛顿的名望加上牛顿已经得出很多经过证实的理论,就认为牛顿的光学理论也一定是正确的。
第一次微波战争,粒子派占到了上风。
1773年,在半尔沃顿诞生了一个男孩,名叫托马斯杨,第二次微波之争就是从他开始的,
1807年,他在无意间做双缝干涉实验的时候发现,实验结果无法用光是粒子进行解释,而光的波动可以解释这个实验结果,
所以他认为牛顿的光学理念是错的,但这并不能让波派成功被各大物理学家所接受,
直到1819年,一个不知名的工程师菲涅耳的出现才改变了微波之争的格局,
菲涅耳认为,光是一种横波,他当众做实验证明自己是对的,虽然大家伙都是抱着看戏的心态,
但令人没想到的是,菲涅耳的实验在众目睽睽之下竟然成功了,波派也借此抬起了头。
这就要说到波派的代表人物普朗克了。
1858年,普朗克出生了,普朗克家里的人想要培养小普朗克成为伟大的钢琴家,
但青年时期的普朗克慢慢关注到了自然,然后爱上了物理学,于是踏上了物理研究的道路,
他的思想观念很是传统,但令他自己都没有想到的是,他的研究反而开启了物理学界的另一扇门,
1879年,他在研究维恩关于黑体辐射的论文时,发现维恩的公式只解释了短波的问题,并没有解释长波,
于是,他苦心研究,做出了一个新的公式,但新的公式,它究竟是建立在粒子的角度上,还是建立在波的角度上呢?
普朗克研究后发现,这个公式需要假定才能得知它建立在哪个角度上,
于是,他假定电磁波的发射和吸收不是连续的而是一份份进行的,这样的一份能量叫做“能量子”,
1900年12月14日,普朗克对外宣称了这个能量——“量子”,自此量子诞生了,也说明了这个新的公式是建立在波的角度上的。
量子在诞生之后,爱因斯坦便联系光与量子之间的关系,1905年,爱因斯坦凭着一种深刻的直觉,他感到,对于光来说,量子化也是一种必然的选择。
于是,他提出了一个假设“光量子”来证明光是波动的,但是“光量子”的诞生是传统的物理学领域无法接受的,
一时之间,又回到了最初的起点问题“光是什么?”
此时此刻,两派之间都无法去下决定,但量子的诞生,使得物理学家们纷纷转向了对量子的研究。
而量子也引发了几代物理学家们之间的争斗。
而最为闻名的,就是1927著名的第五届索尔维会议上爱因斯坦与玻尔之间的争斗,
玻尔想让爱因斯坦承认他的量子力学理论是正确的,但爱因斯坦认为玻尔的理论是错误的,奈何又拿不出实验依据,无法反驳,
只说下了那句“上帝是不会掷骰子的”。玻尔听到后就回怼爱因斯坦:
“请你不要擅自决定上帝要做什么!”
爱因斯坦在会议上吃了瘪,为了找回场子,在1930年的第六届索尔维会议上当众做出了一个光箱实验,打的玻尔措手不及,
一时之间并不能有理有据的反驳爱因斯坦,瞬间面如死灰,认为自己被爱因斯坦压制了,
会议结束后,就带着他的团队秉烛夜谈的研究如何反驳爱因斯坦的光箱实验,到了第二天会议开始的时候,玻尔便雄赳赳气昂昂的进入了会场,
在会议上,他不仅有理有据的反驳了爱因斯坦的观点,而且他的论据用的是爱因斯坦的广义相对论,成功的反击了爱因斯坦。
虽然爱因斯坦在两次会议上都失败了,但他依旧不同意玻尔的量子理论,
反驳着玻尔的观点,但没有用论据反驳,而是以玻尔的量子力学理论的概念不完善进行反驳,他们之间的争论在他们死后依旧在持续着。
德布罗意在爱因斯坦还在世的时候提出对于量子的看法,间接证明了:“光是波动的。”
这使得波派的物理学家开始趾高气昂起来,但德布罗意本意是在研究量子,如果说他对“光是什么?”的看法,
他轻飘飘的说道:“光既是波又是粒子。”
就是这么轻飘飘的一句话,震惊了所有的物理学家,试想一下,从小和你一起玩耍的男孩子在你们认识30年后,突然变的可男可女了,你震不震惊。
于是,所有的物理学家直摇头,不承认德布罗意的观点。
玻尔的学生海森堡接连着玻尔的研究认为世界万物就是随机的,而光具有二象形,
“他觉得光在出现的时候,你并不知道它以什么样的速度出现的,这是个概率问题。”
所以光具有不确定性,量子力学也具有不确定性。
这两个人对于“量子力学”的解释并不到位,但在物理学史上为量子力学的发展开辟了新的思想,
于是就有更多不同的观点扑面而来,比如退相干、隐变量、波函数等等,都认为世界万物都是不确定的,
而爱因斯坦那句“上帝是不会掷骰子的”也变成了问句,因为上帝到底会不会掷骰子,没有人能够明确回答出来。
量子理论的概念是不完善的,为什么呢?简单说一下量子力学和经典力学的区别,
爱因斯坦就属于经典力学范围,经典力学的特点是确定性,但量子力学的特点是具有不确定性,那么如何让不确定变为确定呢?
这个就需要测量,测量后,就会从不确定的转成确定的状态,物理学家把不确定性称作纠缠态,而确定性称作本征态。
但事实上把量子力学理论放在现实中看是非常荒谬的,
比如说,你眼前有一瓶水,你看到这瓶水的时候,它在一个确定的位置上,但当你蒙上眼睛去看,刚刚在原地的那瓶水可能就会转移到其他地方,
当然这个水杯是在没有触碰的情况下,自己转移的,这就是量子力学中所说的不确定性,放在现实生活中的确很荒谬。
所以薛定谔就对量子力学表示怀疑,就用“薛定谔的猫”来讲述量子力学的不完善,
“薛定谔的猫”的实验是在讲,把一只猫放进一个封闭的盒子里,这个盒子里什么都有,氧气、食物等等,
但这个盒子除了猫和安全的物品外,还有一个毒气开关,
如果开关开了,毒气释放出来,猫就会死,如果开关没开,毒气没有释放,那么猫就不会死,
而开关打开或关闭的状态就称作“纠缠态”,猫是死是活的结果也是一个“纠缠态”,这只猫就被称作“既活又死”的猫。
这时候就一定会有人问,为什么不去打开盒子看看猫到底死没死呢?
但其实我们一旦打开盒子进行观测,猫既死是活的状态就会变成要么死要么活的状态;
所以薛定谔就认为,猫既死又活是很荒谬的事情,所以量子力学是有问题的。
但这个理论就能够说明量子理论并不存在吗?当然不是,除去薛定谔的观点,当时也有另外一种理论,叫做“多宇宙理论”,
这个理论和“薛定谔的猫”的结论有所不同,平行宇宙理论认为的是,猫并不是既死又活,因为这个世界有两个宇宙,第一个宇宙猫的状态是活的,而第二个宇宙猫的状态是死的,
除了猫的状态不同,其他的宇宙形态是相同的,如果不打开盒子,那么两个宇宙就并行发展着,
如果打开了,这两个宇宙就会呈现分裂的状态,一个宇宙里是活猫,一个宇宙里是死猫,
人们选择的只是其中一个宇宙,另外一个宇宙也在平行发展着,
如果接着在自己选择的宇宙里继续做这个实验,那么宇宙就会分裂成为更多个宇宙,当然这个宇宙依旧是同时并行着的。
简单的说,这个理论相当于我们现在所说的“平行时空”,可能存在着另外一个世界,
那个世界里有另外的我们,也有可能没有我们,因为历史的潮流可能因为一件事情的不同结果而走向了不同的命运,
比如说另外一个世界里,也许刘邦和项羽的战斗中,项羽战胜了刘邦;也许,清朝并没有闭关锁国,而是开阔疆土;
一切的一切,都很玄乎且奇妙,但的确是科学理论,只是没有被证实的科学理论。
从旧时代中对光所做的简单的实验到量子理论的诞生,沿着量子理论又产生了世界上各种各样的玄妙之处,
也许,我们可以见证到更令人震惊的由量子理论所产生的事实,
而“光是什么?” 估计物理学上也有了定论。