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爱因斯坦的“光盒”是啥意思?

第五次索尔维会议结束以后,爱因斯坦并没有放弃对世界的经典描述,他仍然认为量子力学对世界本质的解释并不完备。

比如说,波恩的概率解释,爱因斯坦认为这只能算得上是对一个系统的概率描述,并不符合单个量子客体,因为爱因斯坦认为单个量子客体具有确定的物理量,只是我们现在还无法把握而已,所以只能退而求其次,给出概率解释。

同样的,他也对测不准原理很不满意,他决定这次从测不准原理入手,证明量子力学的逻辑不一致,从而证明量子力学现在还算不上是一个完备的理论。

1930年的10月,爱因斯斯坦在第六次索尔维会议上,提出了一个思想实验,这就是我们熟知的“爱因斯坦光盒”。

爱因斯坦说,现在有一个不透明的箱子,在箱子上开有一个小孔,里面装着一些光子,还有一个钟表,这个钟表作为计时装置链接这一个快门,可以控制小孔的开合。

整个装置用弹簧挂在支架上,下面有一个配重G,现在我们把箱子里的钟表和外面的钟表对好钟,也就是两个钟表的时间是同步的。

现在箱子上小孔处的快门瞬间打开,然后闭合,在这个过程中只允许一个光子逃逸,快门打开到闭合,这个极短的时间Δt可以根据外面的钟表测出来,因为里面的钟表和外面的钟表是同步的。

所以我们现在就测量出了时间,这个物理量,由于光子飞出去以后,整个箱子的质量会减小,质量变化的量Δm可以根据箱子上的指针测量出来;

然后根据,质能方程我们就能够知道能量的变化量ΔE,这样我们就同时准确地测量出了时间和能量这两个物理量。

那么你哥本哈根说的测不准关系就不成立。玻尔听了这个思想实验以后,瞬间就懵了,感觉这次像是被爱因斯坦击中了要害。

他一时间想不出这个思想实验那里有问题,玻尔整天都是面如死灰,闷闷不乐,海森堡和泡利还安慰玻尔说,没事没事,爱因斯坦的光盒肯定哪里有问题。

在当天会议结束以后,他们返回住处的的时候,就有了这张照片。

爱因斯坦笑了,笑得像一个刚考了满分的孩子。而玻尔的表情就显得比较凝重,他在后面追着爱因斯坦,不知道说着什么。

当天晚上,玻尔在房间里一直转圈,他思考问题的时候经常这样,据海森堡的回忆,当天晚上玻尔睡得很晚,第二天早晨,当他们再次见到玻尔的时候,玻尔的脸上已经乐开了花。

因为他想到了爱因斯坦错在了哪里?而且爱因斯坦要是知道了他所犯的错误,估计会被气得说不出话来。

玻尔说,光子逃逸以后确实能测量出能量的变化,但是当光子逃逸以后,整个箱子会在重力场中的位置发生变化,由于广义相对论的红移效应,这就导致了箱子内的钟表的时间发生改变,当箱子内的钟表不再和外面的钟表同步的时候,我们就无法精确的测量时间了。

你看看,爱因斯坦为了攻击量子力学,竟然把自己的相对论给忘了。爱因斯坦只能接受玻尔的反驳。

在与玻尔两次的交锋当中,爱因斯坦都败下阵来,其实他也承认量子力学肯定是包含了某种最高的真理,但是在他的内心深处总是觉得量子力学还不完备。

所以从以后,爱因斯坦也不再说量子力学的逻辑不一致,他将攻击方向转向了证明量子力学还不是一个完善的理论,也就是存在隐变量。

隐变量就是隐藏着的变量,还没有被我们发现的现实性的物理量,爱因斯坦认为,正是因为量子力学没有考虑到这个变量,所以才有了几率解释,才有了测不准关系。

比如说,以前我们没有发现原子的时候,我们就无法对气体表现出来的温度和压力做出描述,那么原子就是一个隐变量,当我们确认了有原子存在的时候,只要算出他们的平均动能,那气体的温度和压力就得到了解释。

在第六届索尔维会议结束以后,爱因斯坦就和玻尔很少有接触了,1934年因为德国社会的问题,爱因斯坦来到了美国,他选择在普林斯顿度过他的后半生。

在普林斯顿大学,爱因斯坦只有两件事,他关于统一场论的梦想,就像麦克斯韦当年统一电磁和光学一样,他希望将电磁理论和引力统一起来。

这个方向和逻辑没有问题,现在的物理学的终极任务就是寻找可以描述万物的统一理论,只需要一个方程就可以解释四种基本自然力。

爱因斯坦是第一个尝试和上帝对话的人,虽然他失败了,但他的理想值得我们每一个人的尊重,而且爱因斯坦还觉得,只要有了统一场论,就能证明量子力学是不是完备。

因为量子力学应该是统一场论的副产品。这个逻辑也没有问题,毕竟统一场论是万物至理。

不过就在爱因斯坦还抓着量子力学的尾巴不放的时候,量子力学已经在各个方面展现出了他的魔力,年轻的物理学家不再讨论量子力学是否完备,也不在乎量子力学对世界的解释是否违反直觉。

他们利用量子力学解决了很多的问题,也做出了很多新的发现,比如在1930年,剑桥的查德威克就发现了中子,费米和他的团队发现了中子可以诱发重核裂变,开创了核物理。

1932年,卢瑟福的实验室制造出了第一台粒子加速器,开启了高能物理的时代。与此同时,人们还发现了中微子的迹象,等等。

所以在当时的年轻人眼里,爱因斯坦就是一个无法接受量子力学的“老白痴”,说爱因斯坦是过去的历史遗迹,爱因斯坦也承认在普林斯顿就有一些年轻人这样说他。

因此,就很少有研究生去找爱因斯坦,毕竟爱因斯坦的研究方向也很难出啥成果。不过,毕竟爱因斯坦是可以比肩牛顿的人,总会有一些小迷弟,比如罗森,25岁,1934年从麻省理工过来给爱因斯坦当助手,他俩还合作发表过一篇论文,也就是我们现在熟知的爱因斯坦-罗森桥,说的是可以穿越时间和空间的虫洞。

还有一位小迷弟叫波多尔斯基,39岁,俄罗斯人,1935年初,爱因斯坦告诉他俩,自己已经有了可以证明量子力学不完备的想法了,并且口述了自己的观点。

罗森负责计算,波多尔斯基负责写文章,3月底他们就完成了这篇只有4页纸的论文,史称爱因斯坦-波多尔斯基-罗森论文,也就是众所周知的EPR论文。

论文题目为:可以认为量子力学所描述的物理现实是完备的吗?当然论文中给出了否定的答案。

由于时间的关系,我们下节课在聊,EPR论文都说了啥。