没有人敢轻言量子物理与相对性原理生来水火不容,反之,那些随意这样张口的,往往出自民科之口,或者是科学修养尚浅,却偏好装作专家。
广为人知的科学家爱因斯坦,既是广义相对论与狭义相对论的奠基人,也是量子力学的重要推动者之一。他荣获1921年诺贝尔物理学奖的论文,并非关于相对论,而是一篇名为【光的产生与转化的一个假说】的文章。
这篇论文探讨了光电效应与光量子特性。光电效应虽非爱因斯坦首先观察到,但早在1887年,赫兹已注意到这种现象,只是此后无人能做出合理解释。
爱因斯坦是首位合理阐述光电效应的人,他提出,引起光电效应的并非连续波动的粒子群,而是一组孤立的粒子——他称之为光子或光量子。
所谓的光电效应,发生在特定频率的光照射金属表面时,金属的电学性质因此变化,电子摆脱原子核的束缚,形成电流。
爱因斯坦提出,每个光量子所携带的能量等于光的频率乘以普朗克常数。当光量子的能量超过金属的临界频率,单一光子便足以使电子从金属逃逸,进而形成由光电子构成的电流——即为光电效应的原理。
「量子」这一概念早在爱因斯坦提出光量子之前,普朗克已提出五年,但并未受到科学界的广泛关注。借由爱因斯坦对光量子的阐述,普朗克的理论被重新激发,进而开启了量子力学的大门。
爱因斯坦对量子力学的贡献远不止于此。例如,1924年,他与印度物理学家波色预言了波色-爱因斯坦凝聚态这一新物质形态。1995年,麻省理工学院的沃夫冈·凯特利和科罗拉多大学博尔德分校的埃里克·康奈尔及卡尔·威曼通过实验首次在极低温下实现了玻色-爱因斯坦凝聚,证实了这一预言。2001年,康奈尔、威曼与凯特利因这项研究共享了诺贝尔物理学奖。
1935年,爱因斯坦与波多尔斯基、罗森共同提出了引人注目、引发世纪争论的EPR悖论,这个悖论是根据他们三位科学家姓名首字母命名的。
EPR悖论本质上是为论证量子力学的非完整性而提出,引起了科学界的广泛争议,并促进了量子力学的发展,量子纠缠理论也在这一过程中逐步完善。
EPR悖论成为爱因斯坦与哥本哈根学派长期争论的核心。爱因斯坦及其支持者反对哥本哈根诠释中的波函数概率解释,这一辩论一直持续到爱因斯坦离世。爱因斯坦的核心观点是「上帝不掷骰子」,他相信量子力学中某些奇异的运动状态、不确定性原理等概率性和随机性的描述并不是完整的,背后可能存在某些未知的「隐变量」,从而指向一个更为完整的理论。
爱因斯坦坚信,世界上所有事物都遵循着不以人的意志为转移的客观规律,这一「上帝」不会「掷骰子」。
薛定谔和贝尔同样是爱因斯坦的支持者。薛定谔为了反驳量子力学的哥本哈根诠释,提出了一个思想实验——薛定谔的猫。
这只被置于密闭箱子中的猫,因量子力学的不确定性原理而处于生死叠加态。只有在观察时,叠加态才会坍缩,呈现出生或死的结果。
通过这个思想实验,薛定谔旨在讽刺量子力学的生死叠加态违背了逻辑,并试图检验量子理论中的不确定性。
同时,他还提出了著名的薛定谔波动方程。结果未能扳倒对手,波函数坍缩理论反而成为量子力学的重要组成部分,薛定谔方程意外地成为量子力学的理论基石。
贝尔提出了贝尔不等式实验,旨在探寻量子力学奇异性背后是否存在更深层次的原因,即所谓的「隐变量」。如果贝尔不等式成立,即存在一个涵盖局域隐变量的物理理论可以模拟量子力学的所有预测,那么爱因斯坦等人寻求的「完备理论」就可能存在。反之,哥本哈根学派将胜出。
贝尔不等式客观上为爱因斯坦学派和哥本哈根学派充当了裁判的角色,将他们之间的理论之争转化为实验。遗憾的是,经过几十年的实验,贝尔不等式始终未成立,哥本哈根学派取得了胜利。
然而,爱因斯坦仍然是量子力学的奠基人,他的支持者们也成为了量子力学的重要人物和大师。
总的来说,相对论主要关注宏观现象,而量子力学则描述微观领域的奇特现象。这两个理论虽大小有别,却对现代社会生活产生着深远影响,它们更多的是相辅相成,而非相互排斥。
科学研究表明,我们所处的宇宙万物运动,均受四大基本作用力——万有引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力的控制。通常,万有引力和电磁力主导天体和宏观世界的运动,而微观运动则主要受强力和弱力影响。
这些基本作用力是否存在一个统一的基础,是否存在一个更简单的理论或公式来概括四大力的基本本质?这便催生了大统一理论,旨在统一四大基本作用力。找到统一四大力的钥匙,将能将相对论和量子力学结合起来。
目前已经实现了电磁力和弱力的统一,强力的统一也已显现曙光,唯独引力尚无头绪。引力场论,是爱因斯坦广义相对论的核心,而引力场论的根基正是引力相互作用。
如果引力的深层次本质能与其他三种力统一,那便是量子力学与相对论结合的时刻。目前科学界较为看好的是弦理论,它被认为是最有希望统一四大力、更好地解释宇宙的理论。
科学研究是一个从表象探索内在本质的过程。看似复杂的世界,一旦掌握了其本质和规律,就会显得十分简单。
就像魔术,乍看之下让人感到神奇和费解,但一旦揭秘,便会发现原来如此简单,简单到甚至令人失望。
科学亦如此,爱因斯坦揭示了质量与能量的等价关系,阐明了引力的根源是质量对时空的扰动,使得这个世界变得更加清晰易懂。
未来,量子力学与相对论的结合,将为我们打开一扇通向更加简单明亮的宇宙之门。