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上帝不掷骰子!
爱因斯坦坚信于斯宾诺莎的“神”,认为大自然规律即是“神”的体现。量子力学中的不确定性原理却令他深感不安。在与波尔的辩论中,他坚定地提出了那句名言——上帝不掷骰子!
1935年,为了论证量子力学的哥本哈根学派的不完备性,爱因斯坦提出了著名的“EPR佯谬”。此佯谬经玻姆简化后,呈现出一个引人深思的场景:
一个母粒子成两个相反方向的A粒子和B粒子,理论上A、B具有相反的自旋方向。哥本哈根学派认为,对任何一个粒子的测量将瞬间影响远在另一边的粒子,这在爱因斯坦看来是一种超距作用。他坚信,两个粒子在分开时的状态就是确定的,与测量的时间无任何关联。
隐变量理论的出现
为了解决这个问题,爱因斯坦开始探索隐变量理论,以取代不确定性原理。他认为量子随机并非真正意义的随机,而是存在更深层的物理机制未被发现。一旦这个机制被揭示,“不确定原理”将变为确定的。
尽管爱因斯坦将大量精力投入统一场论的研究中,隐变量理论的大旗最终由另一位物理学家玻姆扛起。玻姆的隐变量理论假设了一个无法探测到的“势场”,这与奥卡姆剃刀原理相悖。尽管如此,隐变量理论依然存在可能性。
然后,一位数学界的权威人物站出来质疑:冯·诺依曼是否是20世纪最伟大的数学家之一?谁敢挑战他的论断?
冯·诺依曼在20世纪早期已经名满天下,他在《量子力学的数学基础》一书中,用纯数学的逻辑否定了隐变量理论的存在。当时无人敢质疑他的权威,隐变量理论逐渐被人们淡忘。
贝尔的觉醒与证明
贝尔,这位物理学家,从小展现出极高的才智。他以实验物理为主修,对玻姆的隐变量理论深感兴趣。他注意到爱因斯坦与波尔的争论核心在于定域性和实在性问题。
定域性:指在一定时间内,因果关系仅维持于特定区域。而实在性则指真实事物的客观存在,不依赖于观察者。
贝尔于1964年发表了著名的“贝尔不等式”理论。这一理论以简单清晰的证明过程揭示了宇宙中最深刻的定理之一。
通过简单的中学知识,我们可以推导贝尔不等式的基本形式。在EPR佯谬中,考虑母粒子为A粒子和B粒子,通过考察它们在各个方向上的自旋情况,我们可以推导出Pxy、Pxz和Pzy等相关性公式。
根据贝尔不等式,量子力学中的相关性超越了经典力学的范畴。这一发现彻底了人们对宇宙的理解。
实验验证与科学界的冲击
一系列的实验结果完全符合量子力学的,与爱因斯坦坚信的隐变量理论相去甚远。贝尔不等式被无情地打破,表明量子行为之间的相关性超出了经典力学行为。
科学家们努力排除实验中的各种漏洞,确保实验结果的准确性。随着技术的进步和巧妙的实验设计,科学界对量子力学的完备性越来越有信心。
最终,隐变量理论被彻底否定,贝尔不等式在量子力学中不成立。这一发现说明宇宙的定域性和实在性至少有一个是不成立的,或者两者都不成立。目前科学界对此尚未定论。
这一发现开启了人类对宇宙认知的新篇章,引领着科学家们继续探索未知的领域。