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量子史話(13)1916年,愛(ài)因斯坦看到了上帝在墻角玩骰子

上個(gè)視頻我們講完了玻爾-索末菲的量化原子模型,按正常的情況,這個(gè)視頻應(yīng)該說(shuō)德布羅意的物質(zhì)波,不過(guò)我突然想起了一位我們很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有提到的人,愛(ài)因斯坦。

為啥還要再提愛(ài)因斯坦?因?yàn)樗麨榱孔诱摰呢暙I(xiàn)絕對(duì)不亞于玻爾,有這樣的說(shuō)法,量子論草創(chuàng)時(shí)期有三大巨頭,分別為普朗克、愛(ài)因斯坦、玻爾,這三位并駕齊驅(qū)。

那么這節(jié)視頻的主題是啥?上帝的骰子。愛(ài)因斯坦這個(gè)人很有趣,微觀世界統(tǒng)計(jì)解釋的本質(zhì),其實(shí)是他最早發(fā)現(xiàn)的,但他一輩子都接受不了這個(gè)事實(shí)。

1916年的玻爾,原子模型大獲成功,在哥本哈根終于有了一個(gè)理論物理學(xué)教授的職位,但此時(shí)的愛(ài)因斯坦已經(jīng)是名譽(yù)全球的大師級(jí)人物,在1913年被普朗克、能斯托邀請(qǐng)到了柏林工作。

雖然愛(ài)因斯坦不怎么喜歡德國(guó),但是這兩位前輩開(kāi)出來(lái)的籌碼讓愛(ài)因斯坦無(wú)法拒絕,只要他去柏林,就可入選普魯士科學(xué)院院士,還可以在科研教授,以及理論物理研究所主任,這兩個(gè)職位中任選一個(gè)。

愛(ài)因斯坦確實(shí)心動(dòng)了,但還有一個(gè)讓他無(wú)法抗拒的誘惑,他的堂姐艾爾莎也在柏林。身為一個(gè)男人,他肯定會(huì)做出正確的選擇。

1915年,愛(ài)因斯坦完成了對(duì)牛頓引力方程的改造,使它的數(shù)學(xué)形式滿足洛倫茲變換下不變的性質(zhì),這一壯舉讓愛(ài)因斯坦成為了繼牛頓之后最偉大的科學(xué)家。

這一年美國(guó)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家羅伯特·密里根用了十年的時(shí)間,驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程,這讓愛(ài)因斯坦更加確定了光量子的真實(shí)性。

現(xiàn)在廣義相對(duì)論也完成了,1915年11月的時(shí)候,愛(ài)因斯坦還把廣義相對(duì)論應(yīng)用在了解釋水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)存在誤差的問(wèn)題,理論預(yù)測(cè)結(jié)果和觀察結(jié)果,在允許的誤差范圍內(nèi)。

愛(ài)因斯坦覺(jué)得自己的理論沒(méi)有問(wèn)題,就等著讓其他人去驗(yàn)證吧,閑下來(lái)的愛(ài)因斯坦沒(méi)事可做,又把注意力轉(zhuǎn)向了量子理論。

1916年的夏天,愛(ài)因斯坦通過(guò)玻爾的原子模型又一次推導(dǎo)出了普朗克公式,這已經(jīng)是他第二次采用不同的方式推導(dǎo)出這個(gè)公式了,第一次是在研究光電效應(yīng)的時(shí)候,而且他還發(fā)現(xiàn)了電子新的躍遷形式,叫受激發(fā)射。

前面講原子模型的時(shí)候,玻爾提到了兩種躍遷形式,第一種是電子吸收能量躍遷到更高的軌道,第二種是電子從高軌道自發(fā)的躍遷到更低軌道,并釋放相應(yīng)的能量,叫自發(fā)輻射。

愛(ài)因斯坦說(shuō)還有第三種,叫受激發(fā)射,當(dāng)電子已經(jīng)處在激發(fā)態(tài)的時(shí)候,我們?cè)俅蜗螂娮俞尫乓粋€(gè)光量子,這時(shí)的電子并不會(huì)吸收這個(gè)光量子,而是會(huì)受到?jīng)_撞,立刻向更低的能級(jí)躍遷,并且電子在躍遷的時(shí)候會(huì)釋放出一個(gè)和沖撞它的光子一模一樣的光子,什么頻率、偏振完全一樣。

這就是現(xiàn)代激光的理論基礎(chǔ),先給物質(zhì)中原子施加能量,使它的電子處在激發(fā)態(tài),然后用一個(gè)光子撞擊物質(zhì),這個(gè)光子就會(huì)誘發(fā)物質(zhì)中的原子釋放出一模一樣的光子,大量的原子產(chǎn)生大量的光子,由于光子是玻色子,不符合泡利不相容原理,所以他們可以疊加在一起,此時(shí)大量的光子就像是一個(gè)光子一樣,沿著直線向前飛奔,不會(huì)擴(kuò)散,在一個(gè)點(diǎn)上光強(qiáng)非常高。這就是我們看到的激光,全稱叫“受激輻射式光頻放大器”。

你看,愛(ài)因斯坦牛吧,一出手就有新發(fā)現(xiàn),如果不是把主要的精力放在了相對(duì)論上,在量子論中肯定會(huì)做出更大的貢獻(xiàn)。

這還不算啥,接下來(lái)的發(fā)現(xiàn)才讓愛(ài)因斯坦大吃一驚,他好像隱隱約約看到了上帝,在黑暗的角落里在玩骰子,并向他露出了一絲陰森的鬼笑。

剛才我們說(shuō)了,電子處在激發(fā)態(tài)的時(shí)候,受到外來(lái)光子的沖撞、誘導(dǎo),他會(huì)立刻向下躍遷,但要是沒(méi)有受到外來(lái)光子的干擾呢?電子何時(shí)向下躍遷?向哪個(gè)軌道躍遷?

愛(ài)因斯坦吃驚地發(fā)現(xiàn),電子躍遷的時(shí)間是隨機(jī)的,你不能準(zhǔn)確地說(shuō)出他具體在哪個(gè)時(shí)刻向下躍遷,只能給出一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)上的概率解釋,而且他躍遷的軌道也是隨機(jī)的,你不能準(zhǔn)確地說(shuō)出他向哪個(gè)軌道躍遷,只能說(shuō)出電子向這個(gè)軌道躍遷的概率有多大。

而且電子躍遷以后,釋放光子的方向也是隨機(jī)的,你不能準(zhǔn)確地說(shuō)出它會(huì)朝哪個(gè)方向射出這個(gè)光子,只能給出某個(gè)方向上的概率。


這一下讓愛(ài)因斯坦頭皮發(fā)麻,微觀世界的本質(zhì)失去了確定性,而統(tǒng)計(jì)解釋才是它的本質(zhì)。你可能覺(jué)得奇怪,不對(duì)啊,統(tǒng)計(jì)學(xué)老早就有了,麥克斯韋、玻爾茲曼還用它來(lái)解釋了氣體性質(zhì)呢。

你說(shuō)得沒(méi)錯(cuò),不過(guò)我們用統(tǒng)計(jì)學(xué),只是因?yàn)闅怏w中的分子原子太多了,我們無(wú)法一個(gè)一個(gè)去計(jì)算,所以在統(tǒng)計(jì)學(xué)上給出一個(gè)平均值就可以了,但我們依然堅(jiān)信每一個(gè)原子、分子都符合牛頓力學(xué)的確定性;等有一天我們的計(jì)算能力足夠強(qiáng)大了,我們完全可以一個(gè)原子一個(gè)原子的去算,沒(méi)有問(wèn)題。世界的本質(zhì)是確定性的。

但現(xiàn)在的問(wèn)題是,愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn),世界的本質(zhì),它就是概率性的,所以才感到不可思議。

如果你覺(jué)得確定性沒(méi)有了,并不是啥大事,那么接下來(lái)愛(ài)因斯坦的發(fā)現(xiàn),絕對(duì)也會(huì)讓你無(wú)法接受。

他發(fā)現(xiàn)世界的本質(zhì)不僅沒(méi)有了確定性,就連因果性都要被拋棄。原因和結(jié)果這兩個(gè)字,在我們?nèi)粘I钪袝?huì)經(jīng)常性地提到,你在描述一件事的時(shí)候,總會(huì)說(shuō)因?yàn)槭裁矗栽鯓?、怎樣?/p>

比方說(shuō),因?yàn)槲茵I了,所以我吃飯,很符合邏輯,這就是現(xiàn)實(shí)世界的因果性。你不能說(shuō),我在吃飯,沒(méi)有任何原因;或者因?yàn)槲依哿?,所以要吃飯,更不能說(shuō),因?yàn)槲页燥?,所以我餓了。這些都違反了因果律。

不過(guò)電子的表現(xiàn)并不滿足因果律,電子向下躍遷的時(shí)間,躍遷的軌道,都沒(méi)有任何原因,完全就是靠偶然。你會(huì)發(fā)現(xiàn),電子好像有它自己的自由意志一樣,它不僅可以自己選擇躍遷的時(shí)間,還能自己選擇躍遷的軌道。

盧瑟福在1913年看了玻爾的文章以后,也產(chǎn)生了同樣的困擾,現(xiàn)在愛(ài)因斯坦也一樣,在他給波恩的信中說(shuō),如果這是真的,他就去賭場(chǎng)上班,不做物理學(xué)家了。

如果你還是覺(jué)得這件事不奇怪,那我舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子,把電子的行為引入宏觀世界,你就會(huì)發(fā)現(xiàn),這個(gè)現(xiàn)象多么的違反直覺(jué)。

比如一個(gè)蘋(píng)果,當(dāng)你把它拿起來(lái)的時(shí)候,你一松手,蘋(píng)果就會(huì)立刻處在不穩(wěn)定的狀態(tài),這對(duì)應(yīng)于電子的激發(fā)態(tài),這時(shí)蘋(píng)果會(huì)立即向地面落去,回到穩(wěn)定的基態(tài)。原因是因?yàn)橐Φ淖饔谩?/p>

如果蘋(píng)果像電子的行為一樣的話,你一松手,蘋(píng)果就會(huì)懸停在空中,然后在一個(gè)不可預(yù)測(cè)的時(shí)間內(nèi),突然掉入到地面。

蘋(píng)果可能懸停一分鐘,可能懸停一小時(shí),也可能你一松手就掉了下去,但是蘋(píng)果掉下去這個(gè)結(jié)果,跟任何事件都沒(méi)有因果關(guān)系,而蘋(píng)果掉與不掉,何時(shí)掉,好像是蘋(píng)果自己說(shuō)了算。這就是電子的詭異之處。

這可是愛(ài)因斯坦在1916年發(fā)現(xiàn)了,這時(shí)的泡利也才16歲,海森堡也才15歲,愛(ài)因斯坦的物理直覺(jué)簡(jiǎn)直太牛了。

不過(guò)愛(ài)因斯坦并不會(huì)放棄決定性和因果性,他當(dāng)時(shí)就覺(jué)得,現(xiàn)在的量子論才剛剛起步,理論還不完善,所以暫時(shí)只能對(duì)電子的行為做出概率預(yù)測(cè),以后理論發(fā)展成熟了,肯定能對(duì)電子的行為做出確定性的描述,也會(huì)把因果律恢復(fù)起來(lái)的。

盧瑟福當(dāng)年也是這么想的,1901年的時(shí)候,盧瑟福發(fā)現(xiàn)了放射性元素的半衰期,說(shuō)的是放射性元素的放射性衰減一半所需要的時(shí)間,也是原子衰變一半所需要的時(shí)間,當(dāng)時(shí)盧瑟福就覺(jué)得奇怪,他也不能確定一個(gè)原子衰變的準(zhǔn)確時(shí)間,也不能解釋為什么這個(gè)原子衰變了,他旁邊的那個(gè)原子卻沒(méi)有衰變。

他只能對(duì)放射性做出統(tǒng)計(jì)解釋,確定一堆原子,衰變一半的時(shí)間,盧瑟福跟愛(ài)因斯坦一樣,認(rèn)為,現(xiàn)在算不出來(lái),是理論不完善,以后肯定能算出來(lái)。

很明顯,他們倆的愿望都沒(méi)有實(shí)現(xiàn),理論越發(fā)展,越清楚地表明世界的隨機(jī)性。

1920年的4月,應(yīng)普朗克的邀請(qǐng),玻爾到柏林大學(xué)講他的原子模型,這是玻爾和愛(ài)因斯坦兩個(gè)人第一次見(jiàn)面,很顯然玻爾更加激動(dòng),因?yàn)檫@時(shí)愛(ài)因斯坦的名字已經(jīng)是如雷貫耳。

兩個(gè)人還討論了上面的問(wèn)題,但沒(méi)有結(jié)果,玻爾更加偏向隨機(jī)性,愛(ài)因斯坦沒(méi)有說(shuō)服玻爾,玻爾也沒(méi)有說(shuō)服愛(ài)因斯坦,由于兩個(gè)人是第一次見(jiàn)面,所以更多的是互相的吹捧。

愛(ài)因斯坦說(shuō)玻爾的原子模型簡(jiǎn)直像個(gè)奇跡,解釋原子光子光譜的奧秘;玻爾給愛(ài)因斯坦說(shuō),我仰慕您已久,您的相對(duì)論給人類照亮了前進(jìn)的道路。

在接下來(lái)的幾年中,兩人都在比較無(wú)聊,干得最多的事就是到處被邀請(qǐng)去演講,一個(gè)講他的原子模型,講他的模型如何解決元素化學(xué)性質(zhì)的問(wèn)題,收獲了很多小迷弟,泡利和海森堡就在其中。

一個(gè)是全世界旅行講他的相對(duì)論,收獲了全球的粉絲。1922年兩人都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),愛(ài)因斯坦是1921年的諾獎(jiǎng),推遲了一年頒發(fā)。

在給愛(ài)因斯坦頒發(fā)諾獎(jiǎng)的時(shí)候,諾獎(jiǎng)委員會(huì)還專門(mén)避開(kāi)了他的光量子,不過(guò)很快,就證明這是多此一舉。

1923年,美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家康普頓,做了一個(gè)實(shí)驗(yàn),堪稱“20世紀(jì)物理學(xué)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)”。由于時(shí)間的關(guān)系,我們下個(gè)視頻再說(shuō)。 

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