上帝在太阳内部掷骰子

量子力学 Quantum Mechanics

如果爱因斯坦知道太阳为何会发亮， 那么他就会接受量子力学。

ETHAN SIEGEL | Nautilus

在太阳的内心深处，当轻原子核聚变成重原子核时，有非常小的一部分质量消失了。这部分消失的质量通过著名的公式 E=mc² 转换成了能量。在太阳核心的高温之下，氢和氦同位素会形成更加稳定的元素，释放出的能量足以使太阳系的所有行星都沐浴其中。尽管能量如此惊人，但如果宇宙是完全决定论的，那么在太阳核心的质子是永远无法开始链式反应的。只有考虑到具有波本质的量子力学，这一切才成为可能，而这也证明了爱因斯坦曾经说过的“上帝不会掷骰子”的说法是错误的。

○ 1925年，玻尔和爱因斯坦在埃伦费斯特的家里讨论量子力学。玻尔和爱因斯坦之间的辩论在量子力学的发展过程中起到非常重要的作用。 | 图片来源：Paul Ehrenfest

1920年代，广义相对论和量子力学的发展彻底颠覆了物理学世界。前者将弯曲的时空、物质、能量和引力联系在一起，后者则描述了宇宙中所有的粒子也表现的像波。由于量子物理的一些基本性质，因此它的内在本质就是非决定性的理论，这意味着我们只能探讨特定结果发生的概率，而无法得知道一个特别设置产生的结果。物理史上最重要的两位物理学家——爱因斯坦和玻尔——对我们的宇宙的内在是否是决定论的产生了几次重要的辩论。爱因斯坦认为宇宙是决定论的，而玻尔并不这么认为。

○ 氢原子是宇宙中最重要的物质基本单元，存在于具有特定磁量子数的激发量子态。虽然它的性质都已被熟知，但对于某些特定问题，比如电子在原子中的哪个位置，我们只能给出概率性的答案。 | 图片来源：Wikimedia Commons user Berndthalle

直到爱因斯坦逝世，他依然拒绝相信上帝确实掷骰子。他推断肯定有某些基本的定律可以决定粒子的特定行为，只是我们的实验和观测能力的失败妨碍了我们看清物质背后的真相。但是，当量子物理在1920年代被发展起来的时候，已知的基本力只有两种：引力和电磁力。科学家还不知道核力的存在，也就意味着科学家并不知道太阳的巨大能量的来源。

○ 太阳的剖面图，显示了太阳表面和内部的不同区域，包括发生核聚变的核心（core）。但是，如果没有量子力学，核心中的粒子就不具备能产生核聚变的性质。 | 图片来源：Wikimedia Commons user Kelvinsong

太阳每秒钟输出能量为4×10²⁶瓦，这就意味着在太阳核心，每秒钟大约有4×10³⁸个质子聚变成为氦4。整个太阳大约包含了约10⁵⁷个粒子，其核心大约占了10%左右。这些粒子以极高的能量运动着：在太阳核心的中央，每个质子的运动速度可达到约每秒500千米。同时，其密度也极高，使粒子之间的碰撞极为频繁：每个质子每秒钟都会和其它质子发生几十亿次的碰撞。而这其中只有一小部分，大约10²⁸分之一的质子相互作用会聚变产生重核，进而释放出能量。

所以，即使太阳中大部分粒子都没有足够的能量到达那里，它只需要有一小部分的粒子参与了核聚变反应就能产生我们所看到的能量。接下来我们需要对太阳核心中质子能量的分布进行计算，算出拥有足够的能量，能够将聚变反应维持下去的质子-质子碰撞数量。

○ 太阳核心的质子-质子链式聚变反应。 | 

○ 太阳核心的质子-质子链式聚变反应。 | 图片来源：Wikimedia Commons