在太阳内部发现“上帝掷骰子”的证据

原标题:在太阳内部发现“上帝掷骰子”的证据

提到“上帝掷骰子”，想必大家一定不会陌生，爱因斯坦和波尔两位划时代的科学家在这个量子论问题上争论了半个世纪。微观粒子“波粒二象性”的实验事实，使人们无法再用经典物理描述微观粒子，只能用波函数来描述。而波函数是一种概率波，用波函数描述的微观世界是概率性的、不确定的。它导致了量子力学理论的诞生，同时也造就了量子世界与经典世界的根本区别：经典世界是确定的，量子世界是概率性、不确定的。

世界是概率的吗？爱因斯坦并不赞同这个观点，他用宗教术语来表达他对量子力学描述的客观物理世界的看法：“上帝永远不会掷骰子。”他确信自然界本质上是确定的，只是量子力学理论不完备才产生了概率性。

那么，亲爱的上帝究竟会不会掷骰子呢？上帝掷骰子的行为对于我们生存的世界又有什么影响？再进一步来说，太阳的发光发热是否也与它有关呢？

在光球层上，我们可以观察到在太阳最外层的属性，元素和光谱特征。但是，太阳核心处发生的反应才真正为太阳提供了能量。

来源：NASA’s Solar Dynamics Observatory / GSFC

在太阳内部深处，较轻的原子核变为较重的原子核时，会损失少量的质量，通过著名的E = mc^2转化为能量 。在4,000,000K以上的温度下，太阳中心一度达到15,000,000K，氢和氦同位素形成了更稳定的元素，释放能量，它提供了所有在太阳系中行星上的能量。然而，尽管有这些不可思议的能量，如果宇宙是完全确定的，那么太阳核心的质子将永远无法开始这个链式反应。它需要量子力学的波动性才能够解释，这证明爱因斯坦的著名论断“上帝不会掷骰子”是错误的。

1925年，玻尔和爱因斯坦在保罗·埃伦弗斯特（Paul Ehrenfest）家中讨论了许多话题。玻尔 - 爱因斯坦的辩论是量子力学发展中最有影响力的事件之一。

来源：Paul Ehrenfest

在二十世纪二十年代，物理学的世界被两大革命所席卷：广义相对论，提出了时空的概念以及物质和能量是引力弯曲的原因；量子力学，量子力学则详细说明了宇宙中的所有粒子都具有波的性质。由于量子物理中的一些基本性质，它本质上是一种非确定性理论，也就是说，你只能讨论某些结果的可能性，而不是知道某个特定的原因会导致什么结果。关于宇宙是否具有内在的确定性这个问题，当时最重要的两位物理学家，爱因斯坦和玻尔，有许多著名的辩论。爱因斯坦认为答案是肯定的，而玻尔却不认同他的观点。

氢原子是物质的最重要的组成部分之一，以具有特定磁子量子数的激发量子态存在。即使它的属性是明确的，但某些问题，比如“原子中的电子在哪里”，只能得到有概率性的答案。

来源：Wikimedia Commons user Berndthaller

直到1950年爱因斯坦逝世，他一直拒绝相信玻尔所说的“上帝会掷骰子”的观点。他推断，一定存在一些潜在的规律，决定了哪些粒子会以某种特定的方式运动，而之所以和我们预想的结果不一致，仅仅是我们的实验或观察的失败，从而使我们无法看清事情的真相。然而，当量子物理学在二十世纪二十年代首次出现时，只有两种基本作用力：引力和电磁力。核力仍然是未知的，这几乎意味着太阳的能量来源——核聚变——也不为人所知。如果爱因斯坦知道这一点，他就会意识到他是错误的！

这个剖面展示了太阳表面和内部的各个区域，包括核心，这是发生核聚变的区域。然而，核心中的单个粒子如果没有量子物理学的特性就没有导致核聚变的特性。

来源：Wikimedia Commons user Kelvinsong

总而言之，通过观察太阳的能量输出，我们测量出它发出连续的4×10^26 瓦能量，这意味着在太阳核心内部，每秒有多达4×10^38个质子发生聚变生成He-4。如果你认为整个太阳中有大约10^57颗粒子，其中只有不到10％在核心，这就不那么容易了。毕竟：

这些粒子以巨大的能量在运动：每个质子在太阳核心中拥有大约500km/s的速度。

密度非常大，所以粒子碰撞发生得非常频繁：每个质子与其他质子每秒相撞数十亿次。

因此，它只会在质子——质子的相互作用中占一小部分融合生成氘，约1 /10^ 28——来产生太阳所需的能量。

所以即使太阳中的大多数粒子都没有足够的能量达到这个目标，但它们只需要很少一部分粒子发生核聚变，就能够为我们所看到的太阳提供能量。所以我们计算了太阳核心的质子是如何分配能量的，并找出了发生这样的质子 - 质子碰撞的数字，使其具有足够的能量进行核聚变。

质子-质子链中最直接和产生最低能量的方式，它从最初的氢燃料中产生He-4。

来源：Wikimedia Commons user Sarang

而计算结果显示这个数字恰好是零。两个带正电荷的粒子之间的斥力太大了，以至于在太阳核心中，一对质子无法发生核聚变结合在一起。当你考虑到太阳本身比宇宙中的95％的恒星都要大（且核心温度更高）时，这个问题就变得更糟糕了，请记住，事实上，每四颗恒星中有三颗是M级的红矮星，它们核心的温度不到太阳的一半。

恒星的分类系统是非常有用的。通过测量宇宙的局部地区，我们发现只有5％的恒星与我们的太阳一样大（或更大）。

来源：Kieff/LucasVB of Wikimedia Commons / E. Siegel

宇宙中只有5%的恒星的温度和太阳内部的温度一样高或更高。然而，核聚变还是发生了，太阳和所有恒星释放出出巨大的力量，不知何故，氢转换成了氦。秘密在于，在基本层面上，这些原子核并不单单表现的像粒子，而是像波一样。每个质子都是一个量子粒子，其中包含一个描述其位置的概率函数，使相互作用的粒子的两个波函数有微小的重叠，即使排斥力会使它们完全分开。

当两个质子在太阳中相遇时，它们的波函数会重叠，从而暂时产生He-2：一个质子。绝大多数情况下，它会分裂成两个质子，但是在非常罕见的情况下，它会产生稳定的氘核（H-2）。

来源：E. Siegel / Beyond The Galaxy

这些粒子都有可能经历量子穿隧效应，最终形成更稳定的束缚状态（例如：氘）会导致该聚变能的释放，并允许链式反应继续进行。尽管量子穿隧效应的概率对于任何特定的质子 - 质子交互作用来说都非常小，在某种程度上在1/10^28的数量级上，这与连续三次获得强力球彩票的几率相同，但罕见的交互作用足以解释太阳（几乎所有恒星）的能量来源。

这是一幅由25张太阳图片组成的合成图，展示了太阳在365天内的活动。如果没有量子力学使核聚变变为可能，那么我们所认为的“太阳辐射输出”是不可能出现的。

如果不是因为宇宙中每个粒子的量子性质，而且它们的位置是通过具有固有的量子不确定性的波函数来描述的，那么使得核聚变发生的重叠将永远不会发生。当今宇宙中绝大多数的恒星永不会被点燃，包括我们自己的。我们的宇宙将不会被燃烧的原子能所照亮，从而变得荒凉而冰冷。

量子力学的力量让太阳光芒闪耀。从根本上说，如果上帝没有在宇宙中掷骰子，那么为恒星提供能量的核火焰永远不会亮起，为太阳赋予生命的核聚变反应将永远不会发生。由于宇宙中固有的量子不确定性，我们才获得了生存的机会。

翻译：李可为 | 校对：毛明远

编排：李可为 | 配乐：解仁江