愛因斯坦最早發現微觀世界的概率現象嗎?


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愛因斯坦最早發現微觀世界的概率現象嗎?

那麼這節視頻的主題是啥?上帝的骰子。愛因斯坦這個人很有趣,微觀世界統計解釋的本質,其實是他最早發現的,但他一輩子都接受不了這個事實。

1916年的玻爾,原子模型大獲成功,在哥本哈根終於有了一個理論物理學教授的職位,但此時的愛因斯坦已經是名譽全球的大師級人物,在1913年被普朗克、能斯托邀請到了柏林工作。

雖然愛因斯坦不怎麼喜歡德國,但是這兩位前輩開出來的籌碼讓愛因斯坦無法拒絕,只要他去柏林,就可入選普魯士科學院院士,還可以在科研教授,以及理論物理研究所主任,這兩個職位中任選一個。

愛因斯坦確實心動了,但還​​有一個讓他無法抗拒的誘惑,他的堂姐艾爾莎也在柏林。身為一個男人,他肯定會做出正確的選擇。

1915年,愛因斯坦完成了對牛頓引力方程的改造,使它的數學形式滿足洛倫茲變換下不變的性質,這一壯舉讓愛因斯坦成為了繼牛頓之後最偉大的科學家。

這一年美國的實驗物理學家羅伯特·密裡根用了十年的時間,驗證了愛因斯坦的光電效應方程,這讓愛因斯坦更加確定了光量子的真實性。

現在廣義相對論也完成了,1915年11月的時候,愛因斯坦還把廣義相對論應用在了解釋水星近日點進動存在誤差的問題,理論預測結果和觀察結果,在允許的誤差範圍內。

愛因斯坦覺得自己的理論沒有問題,就等著讓其他人去驗證吧,閒下來的愛因斯坦沒事可做,又把注意力轉向了量子理論。

1916年的夏天,愛因斯坦通過玻爾的原子模型又一次推導出了普朗克公式,這已經是他第二次採用不同的方式推導出這個公式了,第一次是在研究光電效應的時候,而且他還發現了電子新的躍遷形式,叫受激發射。

前面講原子模型的時候,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的躍遷到更底軌道,並釋放相應的能量,叫自發輻射。

愛因斯坦說還有第三種,叫受激發射,當電子已經處在激發態的時候,我們再次向電子釋放一個光量子,這時的電子並不會吸收這個光量子,而是會受到衝撞,立刻向更低的能級躍遷,並且電子在躍遷的時候會釋放出一個和衝撞它的光子一摸一樣的光子,什麼頻率、偏振完全一樣。

這就是現代激光的理論基礎,先給物質中原子施加能量,使它的電子處在激發態,然後用一個光子撞擊物質,這個光子就會誘發物質中的原子釋放出一摸一樣的光子,大量的原子產生大量的光子,由於光子是玻色子,不符合泡利不相容原理,所以他們可以疊加在一起,此時大量的光子就像是一個光子一樣,沿著直線向前飛奔,不會擴散,在一個點上光強非常高。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,愛因斯坦牛吧,一出手就有新發現,如果不是把主要的精力放在了相對論上,在量子論中肯定會做出更大的貢獻。

這還不算啥,接下來的發現才讓愛因斯坦大吃一驚,他好像隱隱約約看到了上帝,在黑暗的角落裡在玩骰子,並向他露出了一絲陰森的鬼笑。

剛才我們說了,電子處在激發態的時候,受到外來光子的衝撞、誘導,他會立刻向下躍遷,但要是沒有受到外來光子的干擾呢?電子何時向下躍遷?向哪個軌道躍遷?

愛因斯坦吃驚地發現,電子躍遷的時間是隨機的,你不能準確地說出他具體在哪個時刻向下躍遷,只能給出一個統計學上的概率解釋,而且他躍遷的軌道也是隨機的,你不能準確的說出他向哪個軌道躍遷,只能說出電子向這個軌道躍遷的概率有多大。

而且電子躍遷以後,釋放光子的方向也是隨機的,你不能準確地說出他會朝哪個方向射出這個光子,只能給出某個方向上的概率。

這一下讓愛因斯坦頭皮發麻,微觀世界的本質失去了確定性,而統計解釋才是它的本質。你可能覺得奇怪,不對啊,統計學老早就有了,麥克斯韋、玻爾茲曼還用它來解釋了氣體性質呢。

你說得沒錯,不過我們用統計學,只是因為氣體中的分子原子太多了,我們無法一個一個去計算,所以在統計學上給出一個平均值就可以了,但我們依然堅信每一個原子、分子都符合牛頓力學的確定性;等有一天我們的計算能力足夠強大了,我們完全可以一個原子一個原子的去算,沒有問題。世界的本質是確定性的。

但現在的問題是,愛因斯坦發現,世界的本質,它就是概率性的,所以才感到不可思議。

如果你覺得確定性沒有了,並不是啥大事,那麼接下來愛因斯坦的發現,絕對也會讓你無法接受。

他發現世界的本質不僅沒有了確定性,就連因果性都要被拋棄。原因和結果這兩個字,在我們日常生活中會經常性地提到,你在描述一件事的時候,總會說因為什麼,所以怎樣、怎樣。

比方說,因為我餓了,所以我吃飯,很符合邏輯,這就是現實世界的因果性。你不能說,我在吃飯,沒有任何原因;或者因為我累了,所以要吃飯,更不能說,因為我吃飯,所以我餓了。這些都違反了因果律。

不過電子的表現並不滿足因果律,電子向下躍遷的時間,躍遷的軌道,都沒有任何原因,完全就是靠偶然。你會發現,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後,也產生了同樣的困擾,現在愛因斯坦也一樣,在他給波恩的信中說,如果這是真的,他就去賭場上班,不做物理學家了。

如果你還是覺得這件事不奇怪,那我舉個簡單的例子,把電子的行為引入宏觀世界,你就會發現,這個現像多麼的違反直覺。

比如一個蘋果,當你把它拿起來的時候,你一鬆手,蘋果就會立刻處在不穩定的狀態,這對應於電子的激發態,這時蘋果會立即向地面落去,回到穩定的基態。原因是因為引力的作用。

如果蘋果像電子的行為一樣的話,你一鬆手,蘋果就會懸停在空中,然後在一個不可預測的時間內,突然掉入到地面。

蘋果可能懸停一分鐘,可能懸停一小時,也可能你一鬆手就掉了下去,但是蘋果掉下去這個結果,跟任何事件都沒有因果關係,而蘋果掉與不掉,何時掉,好像是蘋果自己說了算。這就是電子的詭異之處。

這可是愛因斯坦在1916年發現了,這時的泡利也才16歲,海森堡也才15歲,愛因斯坦的物理直覺簡直太牛了。

不過愛因斯坦並不會放棄決定性和因果性,他當時就覺得,現在的量子論才剛剛起步,理論還不完善,所以暫時只能對電子的行為做出概率預測,以後理論發展成熟了,肯定能對電子的行為做出確定性的描述,也會把因果律恢復起來的。

盧瑟福當年也是這麼想的,1901年的時候,盧瑟福發現了放射性元素的半衰期,說的是放射性元素的放射性衰減一半所需要的時間,也是原子衰變一半所需要的時間,當時盧瑟福就覺得奇怪,他也不能確定一個原子衰變的準確時間,也不能解釋為什麼這個原子衰變了,他旁邊的那個原子卻沒有衰變。

他只能對放射性做出統計解釋,確定一堆原子,衰變一半的時間,盧瑟福跟愛因斯坦一樣,認為,現在算不出來,是理論不完善,以後肯定能算出來。

很明顯,他們兩的願望都沒有實現,理論越發展,越清楚地表明世界的隨機性。

1920年的4月,應普朗克的邀請,玻爾到柏林大學講他的原子模型,這是玻爾和愛因斯坦兩個人第一次見面,很顯然玻爾更加激動,因為這時愛因斯坦的名字已經是如雷貫耳。

兩個人還討論了上面的問題,但沒有結果,玻爾更加偏向隨機性,愛因斯坦沒有說服玻爾,玻爾也沒有說服愛因斯坦,由於兩個人是第一次見面,所以更多的是互相的吹捧。

愛因斯坦說玻爾的原子模型簡直像個奇蹟,解釋原子光子光譜的奧秘;玻爾給愛因斯坦說,我仰慕您已久,您的相對論給人類照亮了前進的道路。

在接下來的幾年中,兩人都在比較無聊,幹得最多的事就是到處被邀請去演講,一個講他的原子模型,講他的模型如何解決元素化學性質的問題,收穫了很多小迷弟,泡利和海森堡就在其中。

一個是全世界旅行講他的相對論,收穫了全球的粉絲。 1922年兩人都獲得了諾貝爾物理學獎,愛因斯坦是1921年的諾獎,推遲了一年頒發。

在給愛因斯坦頒發諾獎的時候,諾獎委員會還專門避開了他的光量子,不過很快,就證明這是多此一舉。

1923年,美國實驗物理學家康普頓,做了一個實驗,堪稱“20世紀物理學的轉折點”。由於時間的關係,我們下個視頻再說。