愛因斯坦的“光盒”是啥意思?


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愛因斯坦的“光盒”是啥意思?

第五次索爾維會議結束以後,愛因斯坦並沒有放棄對世界的經典描述,他仍然認為量子力學對世界本質的解釋並不完備。

比如說,波恩的概率解釋,愛因斯坦認為這只能算得上是對一個系統的概率描述,並不符合單個量子客體,因為愛因斯坦認為單個量子客體具有確定的物理量,只是我們現在還無法把握而已,所以只能退而求其次,給出概率解釋。

同樣的,他也對測不准原理很不滿意,他決定這次從測不准原理入手,證明量子力學的邏輯不一致,從而證明量子力學現在還算不上是一個完備的理論。

1930年的10月,愛因斯斯坦在第六次索爾維會議上,提出了一個思想實驗,這就是我們熟知的“愛因斯坦光盒”。

愛因斯坦說,現在有一個不透明的箱子,在箱子上開有一個小孔,裡面裝著一些光子,還有一個鐘錶,這個鐘錶作為計時裝置鏈接這一個快門,可以控制小孔的開合。

整個裝置用彈簧掛在支架上,下面有一個配重G,現在我們把箱子裡的鐘錶和外面的鐘錶對好鐘,也就是兩個鐘錶的時間是同步的。

現在箱子上小孔處的快門瞬間打開,然後閉合,在這個過程中只允許一個光子逃逸,快門打開到閉合,這個極短的時間Δt可以根據外面的鐘錶測出來,因為裡面的鐘錶和外面的鐘錶是同步的。

所以我們現在就測量出了時間,這個物理量,由於光子飛出去以後,整個箱子的質量會減小,質量變化的量Δm可以根據箱子上的指針測量出來;

然後根據,質能方程我們就能夠知道能量的變化量ΔE,這樣我們就同時準確地測量出了時間和能量這兩個物理量。

那麼你哥本哈根說的測不准關係就不成立。玻爾聽了這個思想實驗以後,瞬間就懵了,感覺這次像是被愛因斯坦擊中了要害。

他一時間想不出這個思想實驗那裡有問題,玻爾整天都是面如死灰,悶悶不樂,海森堡和泡利還安慰玻爾說,沒事沒事,愛因斯坦的光盒肯定哪裡有問題。

在當天會議結束以後,他們返回住處的的時候,就有了這張照片。

愛因斯坦笑了,笑得像一個剛考了滿分的孩子。而玻爾的表情就顯得比較凝重,他在後面追著愛因斯坦,不知道說著什麼。

當天晚上,玻爾在房間裡一直轉圈,他思考問題的時候經常這樣,據海森堡的回憶,當天晚上玻爾睡得很晚,第二天早晨,當他們再次見到玻爾的時候,玻爾的臉上已經樂開了花。

因為他想到了愛因斯坦錯在了哪裡?而且愛因斯坦要是知道了他所犯的錯誤,估計會被氣得說不出話來。

玻爾說,光子逃逸以後確實能測量出能量的變化,但是當光子逃逸以後,整個箱子會在重力場中的位置發生變化,由於廣義相對論的紅移效應,這就導致了箱子內的鐘錶的時間發生改變,當箱子內的鐘錶不再和外面的鐘錶同步的時候,我們就無法精確的測量時間了。

你看看,愛因斯坦為了攻擊量子力學,竟然把自己的相對論給忘了。愛因斯坦只能接受玻爾的反駁。

在與玻爾兩次的交鋒當中,愛因斯坦都敗下陣來,其實他也承認量子力學肯定是包含了某種最高的真理,但是在他的內心深處總是覺得量子力學還不完備。

所以從以後,愛因斯坦也不再說量子力學的邏輯不一致,他將攻擊方向轉向了證明量子力學還不是一個完善的理論,也就是存在隱變量。

隱變量就是隱藏著的變量,還沒有被我們發現的現實性的物理量,愛因斯坦認為,正是因為量子力學沒有考慮到這個變量,所以才有了機率解釋,才有了測不准關係。

比如說,以前我們沒有發現原子的時候,我們就無法對氣體表現出來的溫度和壓力做出描述,那麼原子就是一個隱變量,當我們確認了有原子存在的時候,只要算出他們的平均動能,那氣體的溫度和壓力就得到了解釋。

在第六屆索爾維會議結束以後,愛因斯坦就和玻爾很少有接觸了,1934年因為德國社會的問題,愛因斯坦來到了美國,他選擇在普林斯頓度過他的後半生。

在普林斯頓大學,愛因斯坦只有兩件事,他關於統一場論的夢想,就像麥克斯韋當年統一電磁和光學一樣,他希望將電磁理論和引力統一起來。

這個方向和邏輯沒有問題,現在的物理學的終極任務就是尋找可以描述萬物的統一理論,只需要一個方程就可以解釋四種基本自然力。

愛因斯坦是第一個嘗試和上帝對話的人,雖然他失敗了,但他的理想值得我們每一個人的尊重,而且愛因斯坦還覺得,只要有了統一場論,就能證明量子力學是不是完備。

因為量子力學應該是統一場論的副產品。這個邏輯也沒有問題,畢竟統一場論是萬物至理。

不過就在愛因斯坦還抓著量子力學的尾巴不放的時候,量子力學已經在各個方面展現出了他的魔力,年輕的物理學家不再討論量子力學是否完備,也不在乎量子力學對世界的解釋是否違反直覺。

他們利用量子力學解決了很多的問題,也做出了很多新的發現,比如在1930年,劍橋的查德威克就發現了中子,費米和他的團隊發現了中子可以誘發重核裂變,開創了核物理。

1932年,盧瑟福的實驗室製造出了第一台粒子加速器,開啟了高能物理的時代。與此同時,人們還發現了中微子的跡象,等等。

所以在當時的年輕人眼裡,愛因斯坦就是一個無法接受量子力學的“老白痴”,說愛因斯坦是過去的歷史遺跡,愛因斯坦也承認在普林斯頓就有一些年輕人這樣說他。

因此,就很少有研究生去找愛因斯坦,畢竟愛因斯坦的研究方向也很難出啥成果。不過,畢竟愛因斯坦是可以比肩牛頓的人,總會有一些小迷弟,比如羅森,25歲,1934年從麻省理工過來給愛因斯坦當助手,他倆還合作發表過一篇論文,也就是我們現在熟知的愛因斯坦-羅森橋,說的是可以穿越時間和空間的蟲洞。

還有一位小迷弟叫波多爾斯基,39歲,俄羅斯人,1935年初,愛因斯坦告訴他倆,自己已經有了可以證明量子力學不完備的想法了,並且口述了自己的觀點。

羅森負責計算,波多爾斯基負責寫文章,3月底他們就完成了這篇只有4頁紙的論文,史稱愛因斯坦-波多爾斯基-羅森論文,也就是眾所周知的EPR論文。

論文題目為:可以認為量子力學所描述的物理現實是完備的嗎?當然論文中給出了否定的答案。

由於時間的關係,我們下節課在聊,EPR論文都說了啥。