20世纪最强大脑巅峰对决,爱因斯坦光盒与哥本哈根学派论战

小编接下来要说的这场论战,可以说是科学界关于世界的本质最伟大的论战,也是人类最伟大的智慧碰撞,过程很有趣。大家都知道在爱因斯坦心里一直坚信世界本质是决定论的,在决定论中所有的现象都能被称作时空中一个因果关系的发展,但在量子宇宙里,已经没有决定论的容身之地了。那你更偏向哪种学说呢?

20世纪最强大脑巅峰对决,爱因斯坦光盒与哥本哈根学派论战

量子理论的世界观

在量子世界里,所有的实验都必须服从量子力学定律,服从ΔpΔq≈h等式,这就是动量和位置的关系式,海森堡发现我们对电子任何的观测手段,都会影响到电子的动量,从而导致了电子动量和位置的不确定性,这样就违背了因果论,爱因斯坦说:"难道我们不看月亮,月亮就不在那了吗?”海森堡也大胆的断言:”量子力学确立了因果性的最后败局,任何试图重建因果性的努利都将是徒劳无功的。"玻尔,泡利和玻恩也持有这种观点。

20世纪最强大脑巅峰对决,爱因斯坦光盒与哥本哈根学派论战

第五次索尔维会议

在1927年第五次索尔维会议上量子学派海森堡和玻恩发表了一份联合报告。它分为四个部分:数学形式体系、物理解释、测不准原理和量子力学的应用。他们最后还做了一个激动人心的陈述:”我们认为量子力学是一个完整得理论,不需要再对它的基本物理和数学假设进行任何修改。”爱因斯坦听后接受不了这种说法,他认为量子理论还有待完善,随后也没有参加任何讨论。

伟大的世纪论战—我们处在一个怎样世界

在1930年第六次索尔维会议时,此时爱因斯坦已经51岁了,爱因斯坦为玻尔准备了一个对战量子力学的一个魔盒。以此想给测不准原理和哥本哈根解释带来致命的打击。

  • 爱因斯坦光盒

爱因斯坦让玻尔想象一个充满光的盒子,盒子的一面壁上有一个带有遮挡板的孔。这个遮挡板可以通过一个连接到盒内时钟的机构打开或闭合。这个时钟与在实验室中的另一个时钟是同步的。先称出盒子的重量。将时钟调节到在某一个时间打开遮挡板。打开的时间很短,但是足以把单个光子放出。爱因斯坦解释道:我们现在知道了光子是何时离开盒子的,测不准原理只适用于成对的互补变量—位置和动量的不确定或能量和时间的不确定。它并没有对一对互补变量中的任何一个变量的测量精度加以任何限制。就在那个时候,面带一丝微笑的爱因斯坦吐出了一句至关重要的话:现在再次称盒子的重量。

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爱因斯坦思想实验

  • 哥本哈根遇上了大麻烦

一瞬间,玻尔意识到他和哥本哈根解释遇上了大麻烦。为了算出盒子中有多少光子已经逸散,爱因斯坦运用了他的一个漂亮的发现,这个发现在他还是伯尔尼专利局的一个办事员的时候作出的。能量就是质量,质量也是能量。这是他在研究相对论时无意中做出的一个惊人发现。有一个简单而最为有名的等式:E=mc²。E代表能量,m代表质量,c代表光速。通过对光子逸散前后的盒子进行称重,很容易就可以算出质量上的差别。虽然这种极为微小的差异是不可能运用1930年那时候的设备测量出来的。在思想实验的领域中,这是小孩子的把戏。使用=mc来将短缺质量的量转换成一个相等的能量数,就有可能准确地计算出逸散光子的能量。通过与光盒内控制遮挡板的时钟同步的位于实验室的另一个时钟,就可以得知光子逸散的时间。看来爱因斯坦已经设想了一个可以同时准确测量光子的能量和它逸散时间的实验。这正是海森堡的测不准原理认为无法办到的。

“玻尔顿时惊呆了。”比利时物理学家里昂·罗森菲德( Leon Rosenfeld)回忆道:“他一下子想不出有什么解决方法”

  • 当时留下了两张经典照片

当天会议结束回到大都会旅馆途中留下这样一张经典照片:爱因斯坦和玻尔走在一起,可是步调稍微有些不一致。爱因斯坦走在前面一点,好像想要逃走一样。玻尔张着嘴急急忙忙地想跟上他。他的身子向爱因斯坦那边倾斜着,绝望地想让爱因斯坦听到他说的话。尽管波尔的大衣搭在左臂上,他还是用左手的食指做着手势,他在强调正努力表达的观念。爱因斯坦的手放在身体侧面,一只手抓着手提箱,一只手夹着一根可能代表胜利的雪茄。他在听玻尔说话的时候,小胡子没能藏住他的微笑,这个笑暴露了他内心的想法,那就是他认为他占了上风。罗森菲德说,那天晚上,玻尔看上去就像“一只刚被暴打了的狗,情绪相当低落”。

其实爱因斯坦一直挑战哥本哈根学派的最大原因就是:玻尔宣称量子力学是完整圆满的理论,但爱因斯坦认为还不完善,他的思想实验只是为了挽救目的在于独立于观察去认识现实世界的物理学。所以小编认为爱因斯坦并不是不相信不接受测不准原理,只是认为它还不完善。

20世纪最强大脑巅峰对决,爱因斯坦光盒与哥本哈根学派论战

照片是保罗·埃伦费斯特拍摄


20世纪最强大脑巅峰对决,爱因斯坦光盒与哥本哈根学派论战

会后在保罗·埃伦费斯特家中

哥本哈根的胜利

不同于1927年第五次索尔维会议的是,爱因斯坦这次“攻击”的是能量时间的不确定关系,而不是位置动量关系。晚上回到旅馆玻尔突然看到了爱因斯坦思想实验的缺陷。他重新逐步进行了分析,直到他满意地发现爱因斯坦实际上已经犯了一个几乎令人难以置信的错误。玻尔得到了解脱,于是上床睡了几个小时。他知道当他醒来的时候就是他边吃早餐边享用胜利的时候。

  • 爱因斯坦忘了自己的相对论

爱因斯坦急于要击败哥本哈根关于量子现实性的观点,却忘记了考虑他自己发现的广义相对论理论。他忽视了光盒内时钟的引力对时间测量的影响,广义相对论是爱因斯坦最伟大的成就。重力的时间膨胀就是广义相对论的其中之一,一个房间内两个相同的和同步的时钟,一个被固定到天花板上,另一个被固定到地板上,时间相差的部分在十亿个十亿分之三百(300/10)中将步伐不一致,因为地板上的时间过得比天花板上的时间慢。原因就在于引力。根据广义相对论、爱因斯坦的引力理论,时钟滴答的速度取决于它在重力场内的位置。同样,一个在重力场中移动的时钟走的速度比一个固定的时钟要慢。玻尔意识到,这意味着对光盒称重会影响到盒内时钟的计时,结果还是测量会带来时间和能量的不确定性。

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测不准原理依然正确

光盒在地球重力场中的位置受到对指针所指标尺刻度进行的测量这一行为的影响而发生了改变。这个位置的变化将改变时钟的速度,并且它就不再与实验室中的时钟同步。因此,它就不可能对遮挡板打开以及光子逸散出盒子的时间作出精确的测量。由E=mc得知,对光子的能量测量得越精确,就越无法确定重力场内的光盒的位置。由于重力能够影响时光的流速,这种位置的不确定性就导致人们无法准确地判断遮挡板打开以及光子逃逸的时间。

通过这一系列的不确定性,玻尔表明爱因斯坦的光盒实验无法同时精确地测量光子的能量和它逃逸的时间(海森堡的测不准原理被证明依然正确,由此量子力学的哥本哈根解释也是正确的。

总结一下:其实有一点就连玻尔也从来没有非常明白过,到底微观和宏观的界限该从哪里划起,因为归根到底,每个传统物体不过是原子的集合体。爱因斯坦最后也接受了玻尔的辩论,从而停止了证明量子力学在逻辑上不一致的工作,把更多的精力放在了他孤独的统一场论寻求之旅。


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