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量子力學與相對論看起來格格不入,到底有什麽矛盾?

2024-10-08科學

沒有人敢輕言量子物理與相對性原理生來水火不容,反之,那些隨意這樣張口的,往往出自民科之口,或者是科學修養尚淺,卻偏好裝作專家。

廣為人知的科學家愛因斯坦,既是廣義相對論與狹義相對論的奠基人,也是量子力學的重要推動者之一。他榮獲1921年諾貝爾物理學獎的論文,並非關於相對論,而是一篇名為【光的產生與轉化的一個假說】的文章。

這篇論文探討了光電效應與光量子特性。光電效應雖非愛因斯坦首先觀察到,但早在1887年,赫茲已註意到這種現象,只是此後無人能做出合理解釋。

愛因斯坦是首位合理闡述光電效應的人,他提出,引起光電效應的並非連續波動的粒子群,而是一組孤立的粒子——他稱之為光子或光量子。

所謂的光電效應,發生在特定頻率的光照射金屬表面時,金屬的電學性質因此變化,電子擺脫原子核的束縛,形成電流。

愛因斯坦提出,每個光量子所攜帶的能量等於光的頻率乘以普朗克常數。當光量子的能量超過金屬的臨界頻率,單一光子便足以使電子從金屬逃逸,進而形成由光電子構成的電流——即為光電效應的原理。

「量子」這一概念早在愛因斯坦提出光量子之前,普朗克已提出五年,但並未受到科學界的廣泛關註。借由愛因斯坦對光量子的闡述,普朗克的理論被重新激發,進而開啟了量子力學的大門。

愛因斯坦對量子力學的貢獻遠不止於此。例如,1924年,他與印度物理學家波色預言了波色-愛因斯坦凝聚態這一新物質形態。1995年,麻省理工學院的沃夫岡·凱特利和科羅拉多大學保特分校的艾歷·康奈爾及卡爾·威曼透過實驗首次在極低溫下實作了玻色-愛因斯坦凝聚,證實了這一預言。2001年,康奈爾、威曼與凱特利因這項研究共享了諾貝爾物理學獎。

1935年,愛因斯坦與普度斯基、羅森共同提出了引人註目、引發世紀爭論的EPR悖論,這個悖論是根據他們三位科學家姓名首字母命名的。

EPR悖論本質上是為論證量子力學的非完整性而提出,引起了科學界的廣泛爭議,並促進了量子力學的發展,量子纏結理論也在這一過程中逐步完善。

EPR悖論成為愛因斯坦與哥本哈根學派長期爭論的核心。愛因斯坦及其支持者反對哥本哈根詮釋中的波函數概率解釋,這一辯論一直持續到愛因斯坦離世。愛因斯坦的核心觀點是「上帝不擲骰子」,他相信量子力學中某些奇異的運動狀態、不確定性原理等概率性和隨機性的描述並不是完整的,背後可能存在某些未知的「隱變量」,從而指向一個更為完整的理論。

愛因斯坦堅信,世界上所有事物都遵循著不以人的意誌為轉移的客觀規律,這一「上帝」不會「擲骰子」。

薛定諤和貝爾同樣是愛因斯坦的支持者。薛定諤為了反駁量子力學的哥本哈根詮釋,提出了一個思想實驗——薛定諤的貓。

這只被置於密閉箱子中的貓,因量子力學的不確定性原理而處於生死疊加態。只有在觀察時,疊加態才會塌縮,呈現出生或死的結果。

透過這個思想實驗,薛定諤旨在諷刺量子力學的生死疊加態違背了邏輯,並試圖檢驗量子理論中的不確定性。

同時,他還提出了著名的薛定諤波動方程式。結果未能扳倒對手,波函數塌縮理論反而成為量子力學的重要組成部份,薛定諤方程式意外地成為量子力學的理論基石。

貝爾提出了貝爾不等式實驗,旨在探尋量子力學奇異性背後是否存在更深層次的原因,即所謂的「隱變量」。如果貝爾不等式成立,即存在一個涵蓋局域隱變量的物理理論可以模擬量子力學的所有預測,那麽愛因斯坦等人尋求的「完備理論」就可能存在。反之,哥本哈根學派將勝出。

貝爾不等式客觀上為愛因斯坦學派和哥本哈根學派充當了裁判的角色,將他們之間的理論之爭轉化為實驗。遺憾的是,經過幾十年的實驗,貝爾不等式始終未成立,哥本哈根學派取得了勝利。

然而,愛因斯坦仍然是量子力學的奠基人,他的支持者們也成為了量子力學的重要人物和大師。

總的來說,相對論主要關註宏觀現象,而量子力學則描述微觀領域的奇特現象。這兩個理論雖大小有別,卻對現代社會生活產生著深遠影響,它們更多的是相輔相成,而非相互排斥。

科學研究表明,我們所處的宇宙萬物運動,均受四大基本作用力——萬有重力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力的控制。通常,萬有重力和電磁力主導天體和宏觀世界的運動,而微觀運動則主要受強力和弱力影響。

這些基本作用力是否存在一個統一的基礎,是否存在一個更簡單的理論或公式來概括四大力的基本本質?這便催生了大統一理論,旨在統一四大基本作用力。找到統一四大力的鑰匙,將能將相對論和量子力學結合起來。

目前已經實作了電磁力和弱力的統一,強力的統一也已顯現曙光,唯獨重力尚無頭緒。重力場論,是愛因斯坦廣義相對論的核心,而重力場論的根基正是重力相互作用。

如果重力的深層次本質能與其他三種力統一,那便是量子力學與相對論結合的時刻。目前科學界較為看好的是弦理論,它被認為是最有希望統一四大力、更好地解釋宇宙的理論。

科學研究是一個從表象探索內在本質的過程。看似復雜的世界,一旦掌握了其本質和規律,就會顯得十分簡單。

就像魔術,乍看之下讓人感到神奇和費解,但一旦揭秘,便會發現原來如此簡單,簡單到甚至令人失望。

科學亦如此,愛因斯坦揭示了質素與能量的等價關系,闡明了重力的根源是質素對時空的擾動,使得這個世界變得更加清晰易懂。

未來,量子力學與相對論的結合,將為我們開啟一扇通向更加簡單明亮的宇宙之門。