愛因斯坦真的很聰明嗎（愛因斯坦的骰子）

2023-11-10 16:31:50 2

物理學上有四大神獸，其中最著名的一個，莫過於是薛丁格的貓。

作為討論量子力學就不可能繞過的話題，薛丁格的貓的名氣已經遠遠超出了量子力學的範圍。當然了，有些人只不過是拿它來開玩笑。但是還有更多的人，自以為了解薛丁格的貓，實則有著非常大的誤解。那麼，薛丁格的貓到底是什麼意思呢？它為何還和愛因斯坦有關呢？

事情還要說回到1935年。

當時的量子力學已經成型，但是仍然有一些物理學家對此十分懷疑，其中最著名的一個，就是愛因斯坦。在索爾維會議上，愛因斯坦和玻爾就量子力學的問題展開過激烈的爭辯，最終仍然誰也不服誰。愛因斯坦放出狠話：「上帝不擲骰子！」

這句話已經成為了流傳後世的名言，但是就像薛丁格的貓一樣，被大部分人所誤解。

愛因斯坦反對量子力學嗎？

其實並不。如果愛因斯坦是全盤否認量子力學，他當初就不會利用光量子假說來解釋光電效應。

實際上，愛因斯坦只是對於量子力學中的一些說法比較反感，比如測量會改變量子狀態這種事，其集中表現就在於一點——疊加態的坍縮。

疊加態到底是什麼意思呢？我們一會再說。大家暫且還是按照自以為的原理來理解，我們繼續把故事說下去。

一個好漢三個幫，愛因斯坦也不例外。1935年，他和其他幾個反對量子力學的朋友們一起，發表論文反對量子力學中的概率問題。他們洋洋自得，認為這一次的攻擊會讓堅信量子力學的哥本哈根學派繳械投降。

（圖片說明：量子力學的領軍人玻爾）

與此同時，愛因斯坦的另一個支持者也站了出來，他就是薛丁格。儘管提出了量子力學中重要的薛丁格方程，但薛丁格同樣對量子力學中所謂的概率嗤之以鼻。長期以來，薛丁格和愛因斯坦兩個人就在大西洋兩岸不斷書信往來，隔著數千公裡對量子力學表示著彼此的同仇敵愾，同時還互相出謀劃策。

在1935年發表了論文之後，愛因斯坦還在給薛丁格的書信中出了一個主意，那就是設計一個思想實驗，能夠把微觀尺度所謂的疊加態擴展到宏觀尺度，就可以看出它的荒謬來。為此，愛因斯坦設計了幾個雛形，比如處於「爆炸和不爆炸疊加態的炸藥」，或是「打開盒子發現裡面有球或者沒有球的疊加態」。最終，在愛因斯坦的啟示下，薛丁格將宏觀物質換成了貓，於是這隻量子力學神獸就此誕生。

為了方便下面的講解，我們再詳細介紹一下這隻神獸。

在一個完全封閉的盒子裡，有一隻喵大王，還有一套複雜的裝置。裝置中有一個放射性原子，其衰變的概率為50%。如果它衰變，就會釋放出一個α粒子，這個α粒子會觸發電子開關，進而導致它控制的一個錘子落下，恰好砸碎一個裝有劇毒氰化物的瓶子，將貓毒死。

於是薛丁格指出：既然這個原子處於衰變和不衰變的疊加態，那麼整個裝置都處於疊加態，貓本身也處於疊加態。雖然打開盒子之後能清楚地看見貓是死是活，但是只要不打開盒子，那麼貓就處於既死又活的疊加態。

顯然，這個世界上不可能出現一隻既死又活的貓，由此可以證明量子力學的疊加態是多麼荒謬。

和愛因斯坦一樣，薛丁格在發表這篇論文的時候，也是十分得意，自以為能夠讓玻爾等人俯首稱臣。看到這個實驗的時候，愛因斯坦也忍不住拍案叫絕，為了自己陣營裡能有薛丁格這樣的人才而慶幸。他們萬萬想不到，這個讓他們引以為豪的「傑作」非但沒有推翻量子力學，反而在後人的誤解之下成為了量子力學的代表。

實際上，直到今天，科學家們仍然在爭辯薛丁格的貓到底哪裡出了問題。如今，量子力學的地位已經不容置疑，疊加態也已經被廣泛承認。但另一方面，一隻貓也不可能同時既是死的又是活的。顯然，這一定是中間的環節出了問題。

不過，這裡我們要注意一點：疊加態的貓真的是既死又活嗎？

這就是大家對於疊加態的誤解。網絡上有人傳播冷知識，說在量子領域，一個粒子可以同時出現在兩個地方，這就是疊加態。可以說，這樣的人完全不懂得什麼叫做疊加態。

科學家做了一個比喻非常貼切：假設你的面前有一個硬幣，它沒有老老實實地躺在那裡，而是不斷地旋轉。如果你用手拍它，它就會馬上倒在地上，這時你就能知道它是正面朝上還是背面朝上。但是，如果你任由它繼續旋轉，那麼它就好像是量子領域的疊加態。你不可能說這枚硬幣處於正面和背面都朝上的疊加態，因為它只是側面朝上。

同理，量子領域中的微觀粒子並非同時存在於兩個地方，而是完全屬於另一個狀態。放在薛丁格的貓思想實驗中，這隻貓不是既死又活的狀態，而是既沒有死也沒有活的狀態。

從這個角度來講，愛因斯坦的那個比喻也比薛丁格的貓更加接近疊加態。他說上帝不擲骰子，其實這個旋轉的骰子就相當於剛才那個例子中的旋轉硬幣一樣，至於哪一面朝上，要等它停止旋轉才可以。而在量子領域，這些「骰子」或者「硬幣」永遠都處於「旋轉」的狀態，而人們的觀測就像是你去拍那枚硬幣，是使它停止「旋轉」的一個動作。玻爾等人相信，當我們去觀測這些微觀粒子的時候，它們就會從疊加態坍縮到本徵態，也就是有一個確定的屬性。

而愛因斯坦所反對的，正是這一點：什麼叫觀測？難道粒子長眼了、知道有人類在看自己？宇宙又是怎麼知道自己被觀測了的？我有沒有用眼睛看它，對它又有什麼實際影響呢？

因此，愛因斯坦不相信粒子的疊加態，是不相信這種不確定的狀態。他認為：我們之所以認為它們處於疊加態，不觀測就不知道它們在哪裡，是因為自己的科學水平還不夠。這就像以前的天文學家看見水星運行時詭異的進動現象，以為有一顆更靠近太陽的行星在幹擾。但實際情況是，當物理學發展到一定程度，就能夠完美解釋水星進動的問題，而這個問題正是他本人利用廣義相對論給徹底解決的（這是我自己舉的例子，不是愛因斯坦舉的）。