微观世界的概率现象,爱因斯坦是最早发现?

1916年的夏天,爱因斯坦通过玻尔的原子模型又一次推导出了普朗克公式,这已经是他第二次采用不同的方式推导出这个公式了,第一次是在研究光电效应的时候,而且他还发现了电子新的跃迁形式,叫受激发射。

爱因斯坦这个人很有趣,微观世界统计解释的本质,其实是他最早发现的,但他一辈子都接受不了这个事实。

1916年的玻尔,原子模型大获成功,在哥本哈根终于有了一个理论物理学教授的职位,但此时的爱因斯坦已经是名誉全球的大师级人物,在1913年被普朗克、能斯托邀请到了柏林工作。

虽然爱因斯坦不怎么喜欢德国,但是这两位前辈开出来的筹码让爱因斯坦无法拒绝,只要他去柏林,就可入选普鲁士科学院院士,还可以在科研教授,以及理论物理研究所主任,这两个职位中任选一个。

爱因斯坦确实心动了,但还有一个让他无法抗拒的诱惑,他的堂姐艾尔莎也在柏林。身为一个男人,他肯定会做出正确的选择。

1915年,爱因斯坦完成了对牛顿引力方程的改造,使它的数学形式满足洛伦兹变换下不变的性质,这一壮举让爱因斯坦成为了继牛顿之后最伟大的科学家。

这一年美国的实验物理学家罗伯特·密里根用了十年的时间,验证了爱因斯坦的光电效应方程,这让爱因斯坦更加确定了光量子的真实性。

现在广义相对论也完成了,1915年11月的时候,爱因斯坦还把广义相对论应用在了解释水星近日点进动存在误差的问题,理论预测结果和观察结果,在允许的误差范围内。

爱因斯坦觉得自己的理论没有问题,就等着让其他人去验证吧,闲下来的爱因斯坦没事可做,又把注意力转向了量子理论。

1916年的夏天,爱因斯坦通过玻尔的原子模型又一次推导出了普朗克公式,这已经是他第二次采用不同的方式推导出这个公式了,第一次是在研究光电效应的时候,而且他还发现了电子新的跃迁形式,叫受激发射。

前面讲原子模型的时候,玻尔提到了两种跃迁形式,第一种是电子吸收能量跃迁到更高的轨道,第二种是电子从高轨道自发的跃迁到更底轨道,并释放相应的能量,叫自发辐射。

爱因斯坦说还有第三种,叫受激发射,当电子已经处在激发态的时候,我们再次向电子释放一个光量子,这时的电子并不会吸收这个光量子,而是会受到冲撞,立刻向更低的能级跃迁,并且电子在跃迁的时候会释放出一个和冲撞它的光子一摸一样的光子,什么频率、偏振完全一样。

这就是现代激光的理论基础,先给物质中原子施加能量,使它的电子处在激发态,然后用一个光子撞击物质,这个光子就会诱发物质中的原子释放出一摸一样的光子,大量的原子产生大量的光子,由于光子是玻色子,不符合泡利不相容原理,所以他们可以叠加在一起,此时大量的光子就像是一个光子一样,沿着直线向前飞奔,不会扩散,在一个点上光强非常高。这就是我们看到的激光,全称叫“受激辐射式光频放大器”。

你看,爱因斯坦牛吧,一出手就有新发现,如果不是把主要的精力放在了相对论上,在量子论中肯定会做出更大的贡献。

这还不算啥,接下来的发现才让爱因斯坦大吃一惊,他好像隐隐约约看到了上帝,在黑暗的角落里在玩骰子,并向他露出了一丝阴森的鬼笑。

刚才我们说了,电子处在激发态的时候,受到外来光子的冲撞、诱导,他会立刻向下跃迁,但要是没有受到外来光子的干扰呢?电子何时向下跃迁?向哪个轨道跃迁?

爱因斯坦吃惊地发现,电子跃迁的时间是随机的,你不能准确地说出他具体在哪个时刻向下跃迁,只能给出一个统计学上的概率解释,而且他跃迁的轨道也是随机的,你不能准确的说出他向哪个轨道跃迁,只能说出电子向这个轨道跃迁的概率有多大。

而且电子跃迁以后,释放光子的方向也是随机的,你不能准确地说出他会朝哪个方向射出这个光子,只能给出某个方向上的概率。

这一下让爱因斯坦头皮发麻,微观世界的本质失去了确定性,而统计解释才是它的本质。你可能觉得奇怪,不对啊,统计学老早就有了,麦克斯韦、玻尔兹曼还用它来解释了气体性质呢。

你说得没错,不过我们用统计学,只是因为气体中的分子原子太多了,我们无法一个一个去计算,所以在统计学上给出一个平均值就可以了,但我们依然坚信每一个原子、分子都符合牛顿力学的确定性;等有一天我们的计算能力足够强大了,我们完全可以一个原子一个原子的去算,没有问题。世界的本质是确定性的。

但现在的问题是,爱因斯坦发现,世界的本质,它就是概率性的,所以才感到不可思议。

如果你觉得确定性没有了,并不是啥大事,那么接下来爱因斯坦的发现,绝对也会让你无法接受。

他发现世界的本质不仅没有了确定性,就连因果性都要被抛弃。原因和结果这两个字,在我们日常生活中会经常性地提到,你在描述一件事的时候,总会说因为什么,所以怎样、怎样。

比方说,因为我饿了,所以我吃饭,很符合逻辑,这就是现实世界的因果性。你不能说,我在吃饭,没有任何原因;或者因为我累了,所以要吃饭,更不能说,因为我吃饭,所以我饿了。这些都违反了因果律。

不过电子的表现并不满足因果律,电子向下跃迁的时间,跃迁的轨道,都没有任何原因,完全就是靠偶然。你会发现,电子好像有它自己的自由意志一样,它不仅可以自己选择跃迁的时间,还能自己选择跃迁的轨道。

卢瑟福在1913年看了玻尔的文章以后,也产生了同样的困扰,现在爱因斯坦也一样,在他给波恩的信中说,如果这是真的,他就去赌场上班,不做物理学家了。

如果你还是觉得这件事不奇怪,那我举个简单的例子,把电子的行为引入宏观世界,你就会发现,这个现象多么的违反直觉。

比如一个苹果,当你把它拿起来的时候,你一松手,苹果就会立刻处在不稳定的状态,这对应于电子的激发态,这时苹果会立即向地面落去,回到稳定的基态。原因是因为引力的作用。

如果苹果像电子的行为一样的话,你一松手,苹果就会悬停在空中,然后在一个不可预测的时间内,突然掉入到地面。

苹果可能悬停一分钟,可能悬停一小时,也可能你一松手就掉了下去,但是苹果掉下去这个结果,跟任何事件都没有因果关系,而苹果掉与不掉,何时掉,好像是苹果自己说了算。这就是电子的诡异之处。

这可是爱因斯坦在1916年发现了,这时的泡利也才16岁,海森堡也才15岁,爱因斯坦的物理直觉简直太牛了。

不过爱因斯坦并不会放弃决定性和因果性,他当时就觉得,现在的量子论才刚刚起步,理论还不完善,所以暂时只能对电子的行为做出概率预测,以后理论发展成熟了,肯定能对电子的行为做出确定性的描述,也会把因果律恢复起来的。

卢瑟福当年也是这么想的,1901年的时候,卢瑟福发现了放射性元素的半衰期,说的是放射性元素的放射性衰减一半所需要的时间,也是原子衰变一半所需要的时间,当时卢瑟福就觉得奇怪,他也不能确定一个原子衰变的准确时间,也不能解释为什么这个原子衰变了,他旁边的那个原子却没有衰变。

他只能对放射性做出统计解释,确定一堆原子,衰变一半的时间,卢瑟福跟爱因斯坦一样,认为,现在算不出来,是理论不完善,以后肯定能算出来。

很明显,他们两的愿望都没有实现,理论越发展,越清楚地表明世界的随机性。

1920年的4月,应普朗克的邀请,玻尔到柏林大学讲他的原子模型,这是玻尔和爱因斯坦两个人第一次见面,很显然玻尔更加激动,因为这时爱因斯坦的名字已经是如雷贯耳。

两个人还讨论了上面的问题,但没有结果,玻尔更加偏向随机性,爱因斯坦没有说服玻尔,玻尔也没有说服爱因斯坦,由于两个人是第一次见面,所以更多的是互相的吹捧。

爱因斯坦说玻尔的原子模型简直像个奇迹,解释原子光子光谱的奥秘;玻尔给爱因斯坦说,我仰慕您已久,您的相对论给人类照亮了前进的道路。

在接下来的几年中,两人都在比较无聊,干得最多的事就是到处被邀请去演讲,一个讲他的原子模型,讲他的模型如何解决元素化学性质的问题,收获了很多小迷弟,泡利和海森堡就在其中。

一个是全世界旅行讲他的相对论,收获了全球的粉丝。1922年两人都获得了诺贝尔物理学奖,爱因斯坦是1921年的诺奖,推迟了一年颁发。

在给爱因斯坦颁发诺奖的时候,诺奖委员会还专门避开了他的光量子,不过很快,就证明这是多此一举。

1923年,美国实验物理学家康普顿,做了一个实验,堪称“20世纪物理学的转折点”。由于时间的关系,我们下个视频再说。

来源:量子科学论

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