在科學(xué)的漫漫歷史長(zhǎng)河中,愛(ài)因斯坦是一座難以逾越的高峰。
他的相對(duì)論,無(wú)論是狹義相對(duì)論中對(duì)時(shí)間和空間相對(duì)性的深刻闡述,還是廣義相對(duì)論里將引力詮釋為時(shí)空彎曲的驚世駭俗觀點(diǎn),都極大地革新了人類對(duì)宏觀宇宙的認(rèn)知。相對(duì)論的諸多預(yù)言,如引力波的存在,也在后來(lái)被一一證實(shí),彰顯了這一理論的強(qiáng)大生命力和深刻洞察力。
然而,當(dāng)我們將目光從廣袤的宇宙投向微觀世界,量子理論在這里熠熠生輝。量子理論成功解釋了許多微觀現(xiàn)象,從原子的結(jié)構(gòu)到物質(zhì)的導(dǎo)電性,從激光的原理到超導(dǎo)現(xiàn)象,它的應(yīng)用范圍之廣,幾乎涵蓋了現(xiàn)代科技的方方面面,為人類社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)了深遠(yuǎn)影響。
但這兩大理論之間卻存在著難以調(diào)和的矛盾,引發(fā)了無(wú)數(shù)科學(xué)家的深入思考和激烈爭(zhēng)論,其中,愛(ài)因斯坦與玻爾關(guān)于量子世界現(xiàn)實(shí)性的辯論,更是這場(chǎng)科學(xué)紛爭(zhēng)中的焦點(diǎn)。
玻爾提出了互補(bǔ)性理論,認(rèn)為量子世界的特性不能用經(jīng)典物理的概念來(lái)完全描述,粒子的狀態(tài)只有在被測(cè)量時(shí)才會(huì)呈現(xiàn)出確定性,這一觀點(diǎn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)物理學(xué)中的決定論,強(qiáng)調(diào)了觀察在量子世界中的關(guān)鍵作用 。
例如,在著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)單個(gè)光子通過(guò)雙縫時(shí),它會(huì)在屏幕上形成干涉條紋,表現(xiàn)出波動(dòng)的性質(zhì);但當(dāng)我們?cè)噲D觀測(cè)光子通過(guò)哪條縫時(shí),干涉條紋就會(huì)消失,光子又表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)。這種現(xiàn)象表明,微觀粒子的行為似乎取決于我們的觀測(cè)方式,觀測(cè)行為會(huì)對(duì)微觀粒子的狀態(tài)產(chǎn)生影響。
而愛(ài)因斯坦則對(duì)玻爾的觀點(diǎn)持強(qiáng)烈的反對(duì)態(tài)度,他堅(jiān)信宇宙中的規(guī)律應(yīng)該是簡(jiǎn)潔、確定的,存在一個(gè)獨(dú)立于觀察的客觀現(xiàn)實(shí)。他用 “如果我不看,月亮便不復(fù)存在了嗎?” 這一形象的反問(wèn),質(zhì)疑觀察是否真的是決定現(xiàn)實(shí)的唯一因素 。
愛(ài)因斯坦提出了 “隱變量理論”,認(rèn)為粒子的狀態(tài)在被測(cè)量之前就已經(jīng)確定,只是我們尚未知曉而已,就像一副手套,當(dāng)我們將它們分別放入兩個(gè)盒子時(shí),雖然在打開(kāi)盒子之前我們不知道哪個(gè)盒子里是左手手套,哪個(gè)是右手手套,但它們的狀態(tài)從一開(kāi)始就是確定的,并不會(huì)因?yàn)槲覀兊挠^察而改變。他認(rèn)為量子理論的不確定性只是因?yàn)槲覀冞€沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其中隱藏的變量,而不是微觀世界本身的本質(zhì)特征。
在這場(chǎng)世紀(jì)之爭(zhēng)中,量子糾纏現(xiàn)象成為了雙方爭(zhēng)論的核心焦點(diǎn)之一。
量子糾纏描述了兩個(gè)或多個(gè)粒子在量子狀態(tài)下相互關(guān)聯(lián)的奇特現(xiàn)象,即使這些粒子相隔遙遠(yuǎn),對(duì)其中一個(gè)粒子的測(cè)量也會(huì)瞬間影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài),這種影響似乎超越了時(shí)空的限制,被愛(ài)因斯坦稱為 “鬼魅般的超距作用” 。
根據(jù)相對(duì)論,信息的傳播速度不能超過(guò)光速,因此愛(ài)因斯坦認(rèn)為這種超距作用是不可能存在的,這與量子理論中關(guān)于量子糾纏的描述產(chǎn)生了明顯的沖突。而玻爾則認(rèn)為,量子糾纏并不違背相對(duì)論,因?yàn)檫@些粒子之間并沒(méi)有傳遞實(shí)際的信息,它們只是呈現(xiàn)出一種統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián),這種關(guān)聯(lián)是量子世界的本質(zhì)特征之一。
在20世紀(jì)60年代早期,一位名叫貝爾的科學(xué)家決定要解決量子力學(xué)核心的這場(chǎng)危機(jī)。
貝爾一直在思考一個(gè)問(wèn)題:量子世界只有在觀測(cè)時(shí)才存在嗎,還是說(shuō)還存在更深層的理論等待人們?nèi)グl(fā)掘?他無(wú)比困擾,以至開(kāi)始懷疑量子力學(xué)的核心是不是有問(wèn)題,他曾發(fā)出感慨:“量子力學(xué)是否錯(cuò)誤我依然心存疑惑,但我確信它已腐朽不堪?!?于是,貝爾把他的思想濃縮成一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方程,也就是著名的貝爾不等式,準(zhǔn)確地回答了那個(gè)無(wú)法解答的問(wèn)題:現(xiàn)實(shí)到底是什么?
貝爾在1964年發(fā)表了他的觀點(diǎn),然而當(dāng)時(shí)的整個(gè)物理學(xué)界都忽略了他。
或許是人們還沒(méi)有準(zhǔn)備好接受這樣顛覆性的思考,也可能因?yàn)樗姆匠炭瓷先o(wú)法檢測(cè),又或者沒(méi)人認(rèn)為這問(wèn)題值得研究。但改變的時(shí)候終于還是到來(lái)了。
當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家認(rèn)為,如果兩個(gè)粒子能穿越空間進(jìn)行鬼魅般的通信(就像量子糾纏所描述的那樣),那么超感、心靈感應(yīng)和透視等現(xiàn)象也就極有可能真實(shí)存在,只要他們能證明其存在性。1972年,通過(guò)數(shù)學(xué)的一點(diǎn)小幫助他們實(shí)現(xiàn)了突破,他們能證明貝爾不等式并用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)。
其中一位物理學(xué)家約翰 - 克勞澤從他工作的實(shí)驗(yàn)室中借了一些器材,建立了第一個(gè)也是至關(guān)重要的一個(gè)對(duì)量子力學(xué)進(jìn)行檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)。
在接下來(lái)的十幾年里,這個(gè)實(shí)驗(yàn)由巴黎的阿蘭 - 阿斯佩領(lǐng)導(dǎo)的小組改進(jìn),使結(jié)果更為精確。在貝爾發(fā)表了他的方程的十幾年后,終于能對(duì)它進(jìn)行檢測(cè)了!這是檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)現(xiàn)代版本:晶體將一束激光轉(zhuǎn)換成相互糾纏的光量子,變成兩束極精密的光束,這些光子依次通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置又被反射回來(lái),直至到達(dá)探測(cè)器。
而實(shí)驗(yàn)中要檢測(cè)光的一個(gè)特性叫偏振,這相當(dāng)于是游戲中紙牌的顏色。因?yàn)檫@是量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn),所以要比紙牌游戲復(fù)雜一點(diǎn)。但最終,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了愛(ài)因斯坦是錯(cuò)誤的,而玻爾是正確的!
這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要,它表明愛(ài)因斯坦關(guān)于現(xiàn)實(shí)的理解不可能正確(起碼在微觀世界如此),實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有什么聰明的騙人把戲能欺騙自然,兩個(gè)糾纏光子的特性不可能在一開(kāi)始就被決定了,而是在我們測(cè)量時(shí)才真實(shí)存在!
從不確定性原理出發(fā),我們可以更好地理解 “觀察決定事物是否存在” 這一觀點(diǎn) 。在量子領(lǐng)域,我們無(wú)法同時(shí)精確地確定粒子的某些屬性,比如位置和速度,測(cè)量行為本身就會(huì)對(duì)粒子的狀態(tài)產(chǎn)生干擾,在沒(méi)有測(cè)量之前,粒子處于一種不確定的疊加態(tài),似乎可以說(shuō)它同時(shí)處于多種可能的狀態(tài)之中,只有當(dāng)我們進(jìn)行觀測(cè)時(shí),粒子才會(huì) “選擇” 其中一種狀態(tài)呈現(xiàn)給我們,也就是從不確定走向確定 。
“觀察決定事物是否存在” 這一觀點(diǎn),在科學(xué)界和哲學(xué)界都引發(fā)了巨大的震動(dòng),它打破了人們長(zhǎng)久以來(lái)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知,挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)物理學(xué)中關(guān)于確定性和因果律的觀念 。
從哲學(xué)層面來(lái)看,它模糊了主觀與客觀之間曾經(jīng)看似清晰的界限,讓我們重新審視人類認(rèn)知與外部世界之間的關(guān)系;從科學(xué)發(fā)展角度而言,它激勵(lì)著科學(xué)家們不斷探索量子世界更深層次的奧秘,或許在未來(lái),我們能找到一種更統(tǒng)一、更完善的理論,將宏觀的相對(duì)論與微觀的量子理論融合起來(lái),到那時(shí),我們對(duì)宇宙、對(duì)現(xiàn)實(shí)的理解又將上升到一個(gè)全新的高度 。
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