潘建伟给中学生上的物理课：爱因斯坦的好奇心

钱江晚报·小时新闻 记者 郑琳

最近，西湖大学公开课“湖心讲堂”第一课开讲，首场就邀请到了中科院院士、著名物理学家潘建伟教授。大家都知道，量子科学实验卫星“墨子号”就是潘建伟院士带领的团队研发的。本期，就让我们跟随潘院士，走进量子力学的神奇世界。

潘建伟

上帝掷骰子吗？

这个实验让爱因斯坦困惑

爱因斯坦是我们历史上最伟大的科学家之一，他有一个信念：上帝是不掷骰子的。

这是什么意思呢？同学们都学过牛顿力学，它可以用来计算日月星辰的运动轨迹，可以计算什么时候卫星可以经过我们的头顶。也就是说，任何粒子的运动状态都可以精确预言。

如果是这样，就会引出一个概念：决定论。

既然万事万物的运行轨迹都能精确预言，那么人类还有没有自由意志？一个人的命运是不是注定的？就像我们看一部电影，观众的任何行为都改变不了电影的结局。

作为一个人，内心深处多半不相信世界是决定论的。霍金讲过一句话：“即使是相信一切都是上天注定的人，在过马路的时候也会左右看一看，以免被车撞到。”

于是我们可以提出两个问题：第一，这个世界到底是决定论的，还是本质上是不确定的，以至于我们可以有自主意识和自由的思想？第二，假如本质上不确定，如何从物理学上证明这一点？

我们可以用物理实验来说明这个问题。光的双缝实验，很多同学在中学物理课里学到过。

一束光在穿越两个细缝以后，会出现明暗相间的干涉条纹。这种现象，是“波”的典型特征。水波、声波都会产生明显的干涉现象，因为波是可以同时穿过两个缝的。根据经典物理学，光是一种电磁波，所以也会出现干涉。

然而，物理学家也发现，其实光是由很多小颗粒组成的，这些小颗粒就是光能量的最小单元，叫做“光量子”。

如果把单个的光量子，也做这样的双缝实验，就会发现，在单次实验中，这个光量子可以随机出现在很多地方。但是重复很多次以后，竟然也可以出现干涉条纹。

这就非常让人困惑了，因为那意味着，这单个的光量子也像波一样，可以同时穿过两个缝！这怎么可能呢？

为了检测它到底穿过了哪条缝，物理学家又做了一个实验，在两个缝旁边都放一个用来检测的原子。如果光子从某个缝过去了，那个原子能“探测”到。

结果，原子果然探测到光子是从其中一条缝过去的。但让人惊讶的是，当我们知道光子从哪一条缝过去的时候，干涉条纹就消失了！

最后得出了这样一个结论：如果知道光子路径的话，就没有干涉条纹；如果出现了干涉条纹，我们就无法判断光子的路径。

也就是说，光子走的路径，竟然和我们是否去观测它有关！

物理学家由此由展开了激烈的辩论。爱因斯坦相信上帝不掷骰子，光子的路径一定是预先确定的，只不过是理论还不够好，没有掌握真正的规律。

而另一位物理学家玻尔则认为，光子的路径在没有测量之前是不确定的。如果你去看它，它在某一条路径上；你没有看，就是在两条路径上，处于通过左缝和通过右缝的相干叠加。

量子力学告诉我们

人是有自由意志的

1935年，爱因斯坦提出了“量子纠缠”的概念。他认为，如果量子力学是对的话，那么就一定会有“纠缠态”的粒子，其中一个粒子的状态，决定另一个粒子。

为了形象一点，可以打个比方。假定有两朵花处于纠缠态。花有两个属性：颜色和气味。

如果用眼睛看左边的花是红色，那么右边也是红色。再看一遍，左边是蓝色，那么右边也是蓝色。如果闻左边的花香是玫瑰香，那么右边也是玫瑰香；如果左边是兰花香，右边也是兰花香。

现在有两种理论解释这种现象。爱因斯坦认为，花的颜色和气味是事先定好的，跟我们看不看、闻不闻没关系。而量子力学则认为，颜色和气味在我们测量前完全不确定，对一朵花的测量结果，会瞬间决定另一朵。

两方争论不休，谁也不能说服谁。

在爱因斯坦提出量子纠缠概念30多年以后，有一位叫约翰.贝尔的科学家找到了验证的方案。他说，让左边这个人看花的颜色，右边这个人闻花的气味，这样一来就可以得到一个贝尔不等式。如果爱因斯坦是对的，这个不等式的值要小于等于2，如果量子力学是对的，这个值可以达到2.82。

文章来源：《中学物理》 网址: http://www.zxwlzzs.cn/zonghexinwen/2020/0912/533.html

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