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宇宙奥秘——万物之源

宇宙奥秘——万物之源

作者: 森屿带你看物理 | 来源:发表于2021-02-02 09:36 被阅读0次

        从古至今都有无数人想要知道:关于“宇宙、万物和生命”的终极答案。他们用毕生的精力去探索,但似乎至今也没有一个令人满意的结果。20世纪最伟大的科学家是爱因斯坦,有一种传言说:爱因斯坦认为"宇宙是设计好的。”

        事实上,如果你真的去翻阅关于爱因斯坦的材料,你就会发现爱因斯坦并没有说过这样的话。不过,爱因斯坦却曾说过类似的话,并且还成为了整个人类科学史上最具代表性的话,这句话就是:上帝不掷骰子。

        可能你要问了,凭什么说“宇宙是设计好的”与“上帝不掷骰子”是类似的话?

百年论战

    实际上,爱因斯坦在说完这句话后,另外一个物理学家波尔回怼了爱因斯坦一句:爱因斯坦,不要指挥上帝做事。

        也就是说,爱因斯坦是在一场学术研讨中说了这样一句话,这一场学术研讨会就是大名鼎鼎的“索尔维会议”,参与到这次会议当中的人都是20世纪最杰出的物理学家。而在这一群物理学家当中,分成了3派,一派是以爱因斯坦为首,反对量子力学的;一派是以波尔为首哥本哈根学派,他们支持量子力学的;还有一派是站中立的,比如:居里夫人。那这究竟是咋回事呢?

        20世纪初,在物理学界上空出现了两朵乌云,一朵是“黑体辐射”,另外一朵是“以太”。这两朵乌云最终催生出了量子力学和相对论,这两个理论也成为了现代物理学的两大支柱。不过,在量子力学领域,出现了前所未有的一番局面。

        原本作为量子力学的奠基人爱因斯坦、薛定谔等人,竟然跳到了量子力学的对立面,去质疑量子力学的“完备性”。由此也引发了一场学术界的百年论战,而这场论战的核心就是:上帝到底掷不掷骰子?说白了,就是微观世界的物理学规律到底是不是随机的?

拉普拉斯妖

要了解这个问题,我们就得先搞清楚,量子力学到底说了什么?

        这个理论描述的是微观世界的物理学规律。我们以“电子”为例,万物都是由原子构成的,而原子又是由原子核以及核外电子构成。核外电子到底是如何运动的呢?

        这其实就是物理学家们十分关心的问题,有一些科学家认为,核外电子是绕着原子核做匀速圆周运动,但是根据电磁学理论,电子最终会坠入到原子核内,这一点是不符合我们实际的观测结果。

        后来,物理学家海森堡提出了一个著名的不确定性原理,他认为我们无法像描述宏观物体那样去描述一个微观的粒子。粒子是具有不确定性的,我们只能用概率的形式来描述。比如,电子在原子核外就应该是呈现概率云的形式。

      海森堡的理论与真实的实验观测是非常契合的。不过,这同时也带来了一个巨大的问题,电子的“随机性”与当时科学界主流的世界观是相违背的。那当时科学界主流的世界观是如何的呢?

        在科学界存在着所谓的“四大神兽”,其中一只就叫做:拉普拉斯妖。著名的天体物理学家,数学家拉普拉斯曾经提出,如果有一个“智者(拉普拉斯妖)”,他知道宇宙中所有粒子某一时刻的位置信息和动量信息,同时他已经掌握了整个宇宙的所有规律,那么他就可以预言任意时刻,宇宙中所有粒子的变化情况。

        说白了就是,拉普拉斯认为存在着一个终极规律,它可以描述所有的一切。按照拉普拉斯的看法,“宇宙就是被设计好的”,它按照终极规律而发生变化。而爱因斯坦、薛定谔等人赞同拉普拉斯的看法。

    可是量子力学的随机性,使得拉普拉斯的这个看法似乎就不成立了,这也是爱因斯坦反对量子力学的核心原因,他用“上帝掷骰子”来讽刺“随机性的荒谬”,这里的“上帝”就是“终极规律”。而波尔等人则认为,量子力学里的“随机性”是没有毛病的,是成立的。

谁对谁错?

        科学并不仅仅是一门争论的学问,无论爱因斯坦和波尔的声望有多高,最终“谁对谁出错”都需要依靠实验观测。科学家在这100多年来通过无数的实验去检验量子力学的理论,实验做的越多,我们就发现,波尔所领衔的哥本哈根学派支持的“量子力学”是与客观现实更加匹配,这才使得量子力学成为了主流的科学理论。因此,在这场长达百年的论战中,波尔胜了。但他的胜利,同时也让我们知道,“宇宙并不是被设计好的”,上帝是掷骰子的。

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