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爱因斯坦说的“上帝不会掷骰子”是什么意思?


爱因斯坦坚信自然规律具有确定性,物理过程具有内在联系,客观事物真实存在,并满足物理规律的严格约束,任何表面随机的过程,都存在更根本的物理联系。




爱因斯坦斯坚信斯宾诺莎的上帝,斯宾诺莎的上帝即是指大自然规律,宇宙中的一切事物,都是严格遵循物理规律的,因果之间是自然法则的必然性。


在上世纪初,以玻尔等人发展起来的量子力学诠释,称作哥本哈根诠释,该诠释的其中一个基本假设,叫做“不确定性原理”。



不确定性原理指出,一个粒子的关联量(比如位置和速度、时间和能量等等)之间,存在本质的不确定,这种不确定是原则性的,我们没有任何办法得知不确定性间内在机制。

比如速度和位置,我们不可能同时得知两者的精确数值,它们的不确定性满足ΔxΔp≥h/4π,这就和爱因斯坦坚信的信念矛盾了!


于是,在爱因斯坦和玻尔的多次“争论”中,爱因斯坦说了那句著名的——上帝不掷骰子!



这表明了爱因斯坦的立场,但爱因斯坦也不是只在口头上反对,爱因斯坦一方面坚持着自己对统一场论的研究,另一方面着手建立于哥本哈根诠释对立的量子力学诠释,也就是现在被称作的“隐变量诠释”。


隐变量诠释的出发点和哥本哈根诠释完全不同,隐变量坚信不确定原理中,存在更深层的机制,只是我们还没有找到这个机制而已,隐变量诠释的建立者还有玻姆、德布罗意等人。



可惜,在上世纪八十年代,科学家以贝尔实验动摇了隐变量诠释;在2016年,科学家以无漏洞贝尔实验,否定了隐变量诠释。

至此,隐变量诠释已经出局,爱因斯坦的上帝,是掷骰子的!


好啦!我的答案就到这里,喜欢我们答案的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!


下图就是骰子,有时候也叫色子。普通人将骰子扔向空中,它落到桌面后哪一面向上是随机的。正因为随机,赌场中可以选择用骰子作为赌博用具。

爱因斯坦拿骰子说事是因为他不认可量子力学哥本哈根派的随机解释。在量子力学中,粒子可以处于状态1和状态2的叠加态中,当你去测量粒子的状态时,要么测量到状态1,要么测量到状态2。至于测量的结果是什么在测量之前是完全不确定的,结果完全是随机的,哪怕在初始条件相同的情况下。

这样的解释虽然和实验能够吻合起来,但爱因斯坦是不满意的,爱因斯坦调侃这种解释为“上帝在掷骰子”。这里的上帝不是宗教意义上的上帝,而是代表科学规律。在爱因斯坦看来上帝不会掷骰子,意思是每一次的测量结果应该是确定的,现在的测量结果虽然表现为随机,但是爱因斯坦认为在这背后还有人类尚未认识到的“局域隐变量”在控制着测量结果,一旦人类掌握了局域隐变量理论,每一次的测量结果就不再是随机,而是一个确定的值。

也正是爱因斯坦对量子力学的随机解释不满意,才有了一直持续到现在也没有结束的爱因斯坦和玻尔之间的大论战。爱因斯坦认为“上帝不掷骰子”,玻尔认为“上帝掷骰子”。

1964年,约翰·贝尔给出了一个不等式可以接受实验的检验,如果实验表明贝尔不等式不成立则爱因斯坦的局域隐变量理论落空;如果贝尔不等式成立则玻尔为代表的随机解释落空。几十年来,科学家们设计了种种实验,所有的实验都表明贝尔不等式不成立,爱因斯坦的“上帝不掷骰子”的观点落空。不过,科学家们还没有到此结束,还会设计出更严格的实验对贝尔不等式进行检验,还会继续用实验检验上帝到底是不是在掷骰子。


爱因斯坦所谓的“上帝不会掷骰子”,主要是指爱因斯坦不赞成哥本哈根诠释里面对于波函数的概率解释,哥本哈根诠释认为波函数(满足薛定谔方程的那个波函数)并不是波粒二相性的那个波(德布罗意的那个波),而是波恩说的,波函数的模的平方是量子态的概率,简单理解就是波函数描述的是量子状态(比如位置,或者动量)的概率,所以,爱因斯坦才会提出“上帝掷骰子了吗?”,掷骰子就是个概率问题。说实在的连薛定谔方程的创立者薛定谔本人都不赞成,满足他那个方程的波函数居然是概率量,量子力学确实非常奇葩,居然推导出方程的人都不知道,或者不认可,满足他的方程的那个函数是什么?这在数学和物理史上恐怕也是绝无仅有的。真不知道薛定谔当初是根据什么推导薛定谔方程。

哥本哈根学派的波函数的概率诠释,大概是为了与玻尔的量子跃迁概念一致,因为居然量子态是离散的,量子能态是跃迁式变化的,那就得找一种说法如何才能满足以微分方程形式表示的薛定谔方程,否则连续性和可导性如何谈起,顺便说一句,海森堡就反对薛定谔方程,而始终坚持他的量子矩阵力学,虽然,薛定谔企图调和他们的矛盾,证明薛定谔方程和量子矩阵力学是等价的,但是海森堡并不买账。

爱因斯坦对哥本哈根诠释的另一点质疑是关于测量(或者观察)问题,爱因斯坦并不是质疑海森堡的不确定性原理,而是质疑玻尔关于未经测量就无法确定量子的状态以及叠加态问题,“我们没有观察时,月亮就不存在吗?”,更加著名的质疑就是薛定谔提出的那个著名的薛定谔的猫。爱因斯坦提出的关于观察问题的质疑,本质上就是所谓的现实性问题,他提出的最著名,也是最令玻尔无法反驳的,就是那个著名的EPR佯谬。爱因斯坦提出的EPR佯谬,原来的意思就是为了质疑不观测就不存在量子态(或者量子态不确定)的哥本哈根观点,他设想了一个量子纠缠态,就是一个动量相互关联并满足动量守恒定律的量子对,当把它们分开足够远的距离时,如果测量了其中一个量子的动量,根据动量守恒定律就可以通过计算,而无需观测就能够确定另一个量子的动量(网上有人用左右鞋来解释量子纠缠,实际上等于说爱因斯坦是对的,爱因斯坦就是这个意思)。至少在玻尔的有生之年,玻尔并没有想出更好的解释来反驳爱因斯坦的EPR佯谬,只能提出玻尔关于量子力学的最著名论断“不存在所谓的量子世界,存在的只是量子力学对世界的描述”。后来,经过波姆把动量改成自旋,再经过贝尔自作聪明的搞了个贝尔不等式,把爱因斯坦原来关于观测问题的质疑,变成所谓现实性和局域性的检验,而且这个检验是据于所谓大量观测的相关性检验,其实这和爱因斯坦当初的佯谬并不完全等价。然后就是小贝尔实验,大贝尔实验,自由意志实验等等,不亦乐乎,所有人都不再争论“量子是不是不观测就不确定(不打开盒子,猫就是不死不活)”的现实性问题,而是争论量子纠缠能不能隐形传态,能不能瞬间传态,绝大部分都是围绕局域性问题,不知道究竟要证明什么?最后,经过所谓“不可挑剔”的实验,就有了所谓量子纠缠的非局域性,还有所谓超光速四个数量级(这是什么概念?)。其实,爱因斯坦真正关心的是现实性问题。

最后,爱因斯坦不反对波粒二相性(实际上,德布罗意正是在爱因斯坦的启发下,提出了波粒二相性),爱因斯坦也从来不反对不确定性原理,只是和海森堡不同,海森堡认为不确定性是因为人们的测量技术和手段无法完成对位置和动量的同时精确观测(因为到目前为止,人们的观测方法离不开对被观测量子的干预,在测度相当的被观测者和观测探针之间,无法保证干预不影响状态)。而爱因斯坦相信,一定有一个人们还不知道的因素在起作用,使人们觉得量子的不可预知性,这就是他下半生都在寻找的隱变量。玻尔则不同,玻尔认为,不确定性(从而是概率性)是量子世界的本质,量子世界本来就是不确定的,非现实性的,非因果性的,观测决定量子态,最后就是一个量子世界是不存在的,存在的只是描述。至少有一点玻尔是对的,量子力学所有的理论和说法,只是我们对世界的一种描述。那么,量子世界究竟是什么样子的?套用潘建伟的话,如果知道了,“死了也愿意”!



答:“上帝也掷骰子嘛?”是爱因斯坦对于玻尔领衔的哥本哈根学派的“测不准原理”或者说是“不确定性原理”的嘲讽。


导火线

双缝干涉实验不仅仅是说明了光的波动性,在实验中单个光子到底是通过了左缝还是右缝引发了更广泛的探讨。实验内容读者一定都知道,在此不再赘述。这个时候哥本哈根学派站了出来给出了解释:“光子既不是通过了左缝,也不是通过右缝,而是同时通过了左缝和右缝”。在量子力学已经很成熟的今天,一般人听到这样的话感觉很也很匪夷所思很怪异,那个时代牛顿坚定地决定论占据主导地位,更不会允许出现这样的“怪谈”。



爱因斯坦的世界观

爱因斯坦的信仰简单来说就是一个中心(因果律),两个基本点(定域:光锥,和实在性)。也就是说在玻尔代表的哈根学派表明观点后,爱因斯坦的因果律和实在性都受到了严重的冲击。爱因斯坦对于这种诡异的解释戏称为“上帝也掷骰子嘛?”,爱因斯坦准备反击,他的好友薛定谔就站在了他这一阵营,提出了神兽“薛定谔的猫”,用猫的即活又死的状态讽刺哥本哈根派。结果是无法预料的,薛定谔的猫竟然成了量子力学的的代名词,火的一塌糊涂。


(图片来源网络侵删)

结论:事实证明爱因斯坦在这场“对话'中是不利的,“上帝也在掷骰子”。科学就是在这样的怀疑、争论与验证中发展,它不论输赢,也并不会剥夺每一位参与者的贡献。



这个问题估计没多少人关注,不过我还是来简单延伸一下吧。

哥本哈根学派无疑是那个是群星璀璨时代里的明珠,而哥本哈根这个地方也成为了所有物理学家的圣地。尼尔斯玻尔,哥本哈根学派的创始人和领袖,是爱因斯坦一生的挚友和论敌,量子力学虽然由爱因斯坦开创,却是由波尔和哥本哈根学派发展和完善。有意思的是,爱翁后来走到了量子力学的对立面,成为哥本哈根学派的“敌人”,这句话就是爱因斯坦讽刺量子力学里“测不准”原理的。

这个故事其实还有后续版本,上世纪五十年代,有两个年轻的华裔物理学家发现了“宇称微不守恒”定理,并在第二年被另一个华裔实验物理学家所证实。当时的物理学大师泡利就讽刺说,上帝不可能是个左撇子。不过后来这三个华裔物理学家都得了诺贝尔物理学奖,发现这个理论的是杨振宁和李政道,验证它的是吴健雄。。



很多人并不明白这话,把这话当成是不是爱因斯坦相信神学什么的,完全无知的扯蛋。

物理学家研究到一定程度后,会了解很多宇宙的规律规则和限制,比如光速不变,没人知道是宇宙必然的结果?还是一定空间下的偶然随机出现的绝对限制?

爱因斯坦说这话意思是宇宙的万物规律和限制是必然的现象,不可能像骰子那样是随机出现的结果

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