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爱因斯坦的三大“错误”

2018-02-28 方舟子 方舟子 方舟子

  爱因斯坦再伟大也是人,当然会犯错误,即使是在其精通的物理方面也会犯错。爱因斯坦也承认自己会犯错,他认为他犯的“最大的错误”是提出宇宙常数。广义相对论预测宇宙要么在膨胀要么在收缩。在爱因斯坦提出广义相对论的时候,物理学家们都认为宇宙是静态的,为了解决这个矛盾,爱因斯坦在广义相对论的公式里头增加了一个宇宙常数(用希腊字母Λ表示),让宇宙变成静态。在哈勃发现宇宙在膨胀之后,爱因斯坦懊悔不已,因此把宇宙常数当作他犯的“最大的错误”。


  但是近年来的研究发现,爱因斯坦在这个问题上犯的错误也许没有那么大。在最初的大爆炸之后,宇宙一直在膨胀,但是分布在宇宙里的物质产生的引力又会试图把宇宙“拉回来”,受到引力的影响,理论上宇宙膨胀的速度应该会越来越慢。天文学家们通过对超新星的观测,想要测出在过去的几十亿年间,宇宙膨胀速度究竟减缓了多少。结果出乎意料,宇宙膨胀速度不仅没有减缓,反而在加速。这意味着宇宙间存在着某种未知的神秘能量——所谓“暗能量”——在抵消引力的作用,才会让宇宙膨胀速度越来越快。有些物理学家认为应该把宇宙常数再加回公式里头去,用它来表示暗能量。如果那样的话,爱因斯坦在某种程度上是对的。


  爱因斯坦认为自己错的未必错,同样,他认为自己对的也未必对。他对量子力学的批评,虽然他坚信自己正确无误,但是现在看来很可能是错的。由于对光电效应的研究,爱因斯坦被公认为是“量子之父”之一(据报道现在国内有研究量子力学的物理学家被称为“量子之父”,这个就当笑话好了),但是他认为量子力学虽然正确,却不完备,一定还有未知的因素能够解释观察到的量子现象。为了找出量子力学的漏洞,爱因斯坦提出了一些思想实验,大都没能经得起推敲。但是其中最著名的一个思想实验,却无懈可击。这个思想实验是爱因斯坦(Einstein)、波多尔斯基(Podolsky)和罗森(Rosen)在1935年共同发表的一篇论文《物理实在的量子力学描述能被认为是完备的吗?》提出的,这篇重要论文后来根据三名作者的姓氏缩写称为EPR论文。


  设想有一个静止的粒子,衰变成了两个自旋的粒子A和B,这两个粒子的角动量相等,但是方向相反,这样才能互相抵消(角动量守恒定律)。如果A粒子沿着z轴向上旋转(记为+z),那么B粒子就沿着z轴向下旋转(-z),我们把这叫做状态I,反之,如果A粒子沿着z轴向下旋转(记为-z),那么B粒子就沿着z轴向上旋转(+z),我们把这叫做状态II。在测量之前,这对粒子处于什么状态是没法知道的,可能是状态I,也可能是状态II,量子力学把这视为两种状态的叠加。再假设有一个人沿着z轴对A粒子进行测量,他可能测出两种情况:+z或-z。一旦做了测量,状态就确定了,不再叠加。假定测出A粒子是+z,这个系统的量子态就“坍塌”成了状态I(因为量子态是用波函数描述的,所以叫做波函数坍塌)。这时候如果有另外一个人对B粒子沿着z轴测量,那么肯定测出是-z,也就是说-z的概率是100%。反之,如果测得A粒子是-z,那么就坍塌成了状态II,测得B粒子是+z的概率就是100%。这就好像B粒子“知道”A粒子被沿着z轴做了测量,而且知道A粒子的测量结果,然后给出相反方向的结果。不管这两个粒子离得多远,它都马上能够“知道”。即使为了防止两个测量者互相通气,把两个粒子分开几个光年之远,B粒子也马上能够“知道”A粒子的测量结果,不受光速的限制。


  爱因斯坦认为这太荒唐了(被称为EPR佯谬),把它叫做“怪异的超距作用”。他认为这说明量子力学描述的只是表面现象,一定还有更深层的未知机制在起作用。一些物理学家为此提出了得到爱因斯坦认同的“局域隐变量”理论,认为一对粒子在产生出来之后状态其实已经确定了,而不是像量子力学说的状态叠加、要测量了才能确定状态。为了帮助大家理解,我们可以打一个比方。你蒙着眼睛把一双手套分开装进两个包裹,分别寄给A和B两个朋友。A先收到包裹,打开发现是左手手套,那么就可以确定B收到的是右手手套。爱因斯坦的说法是,在你分装手套时,已经决定了A将收到左手手套,B将收到右手手套,在A打开包裹之前虽然没有人知道他会收到什么手套,但是他和B会收到什么手套早就确定了,他打开包裹不会对B收到什么手套产生影响。显然爱因斯坦的说法符合生活常识。而量子力学的说法就玄乎了。按量子力学的说法,在你分装手套后,A包裹和B包裹里各是哪只手的手套是不确定的,都是左手手套和右手手套这两种状态的叠加。只有当A收到、打开包裹的那一瞬间,才决定了他收到的是左手手套,而A打开包裹超距离影响了B,决定了B收到的是右手手套。显然量子力学的说法不符合生活常识,但是量子力学研究的是微观现象,不适用于宏观,它不符合生活常识并不是问题。


  爱因斯坦在EPR论文中提出的这种现象,后来被薛定谔称为量子纠缠。在这个问题上薛定谔是支持爱因斯坦的,也认为量子力学不完备(薛定谔自己提出另一个著名的思想实验“薛定谔的猫”也是为了反驳量子力学完备性的)。认为量子力学完备的另一方以波尔为代表。双方都承认量子力学是对量子现象的正确描述,但是一方认为还有未知机制决定了这种描述,一方认为没有。在很长一段时间,这种争论只是哲学思辨,没法用实验验证谁对谁错:只是对相同的测量结果给出各自的解释。直到1964年,英国物理学家约翰·贝尔才想到了区分二者的办法。在上面举的粒子中,A粒子和B粒子都是沿z轴做的测量,但是这个轴是任意选的,实验者可以沿着任何一条轴测量。A沿着z轴测得+z,B如果也沿着z轴测量当然只能测得-z,但是他如果选别的轴测量,比如说选y轴测量,就不一定会得到-y,也可能是+y,他获得-y的概率不是100%,而是0-100%之间的一个概率,概率的大小取决于y和z之间的夹角大小,这叫做量子相关性。贝尔从数学上证明了,局域隐变量理论和量子力学对量子相关性的预测是不一样的。局域隐变量理论预测量子相关性呈线性变化,而量子力学预测量子相关性是一条曲线,是跟夹角的余弦发生变化。


  这样就可以通过将很多对纠缠粒子从不同夹角测量,看看量子相关性出现的是什么变化,从而知道符合哪种理论的预测。从1972年开始,陆续有实验物理学家做了各种实验,都发现实验结果符合量子力学的预测。但是这些实验都存在漏洞。2015年才有人据称做了没有漏洞的实验,结果也验证了量子力学的预测。如此看来,量子力学是完备的,爱因斯坦很可能错了。但是这是个美丽的错误。EPR佯谬的提出和引起的辩论,加深了我们对量子力学的理解,开拓了量子纠缠的研究领域,以致现在在国内“量子纠缠”成为尽人皆知的热词,爱因斯坦功不可没,虽然这样的结果和他设想的相反。


  近来在中国媒体成为热词的还有“引力波”。对引力波的探测获得了2017年诺贝尔物理学奖,“引力波”一时又成为新闻热点。一些人又想起了几年前有一个自称“诺贝尔哥”的下岗工人在求职电视节目上宣布自己做出了很多惊人的科学发现和发明时遭到我的“打压”,由于在这个人迸出的各种物理术语中有一个是“引力波”,于是他们就怪我把中国一个诺贝尔奖给搞没了。不知他们会不会去起诉诺贝尔奖委员偏听偏信方舟子打压“科学梦想”。自称早就发现“引力波”的中国人可不止“诺贝尔哥”一个,甚至还有国学家、老中医说老祖宗的太极图早就预言了引力波的存在,有的淘宝店还推出了号称能防引力波辐射的孕妇服。


  引力波是爱因斯坦在一百年前预测的。根据爱因斯坦在1915年提出的广义相对论,引力是时空弯曲的表现,而时空弯曲是物体的质量导致的,物体质量越大,时空弯曲也越大。一个有质量的物体在时空中运动的时候,时空的弯曲也跟着发生变化。在一定的条件下,做加速运动的物体产生的时空弯曲变化,会以波的形式以光速传播开去,这就叫引力波。


  但是引力波是非常微弱的,所以在在爱因斯坦提出一百年来,一直没有被直接检测到。后来是怎么检测到的呢?在13亿年前,有两个巨大的黑洞发生了融合。其中一个黑洞的质量是太阳的36倍,另一个黑洞的质量是太阳的29倍,融合后形成的黑洞质量是太阳的62倍,少掉了3个太阳的质量。这些少掉的质量哪里去了呢?根据相对论,质量可以转化成能量,这少掉的3个太阳质量就转化成了能量,这个能量无比巨大,比整个宇宙的所有恒星发出的所有的光的功率还要大50倍,它以引力波的形式辐射开去,经过了13亿光年的距离,到达了地球,用一个能够检测到幅度变化不到质子大小的千分之一的极其精密的仪器,才被捕捉到了。大家想想这引力波有多么微弱。


  爱因斯坦生前是不相信人类能够检测到这么微弱的引力波的。他甚至有一度认为引力波其实是不存在的。1936年,爱因斯坦和助手罗森给美国物理学会出版的期刊《物理评论》投了一篇论文《引力波存在吗?》,结论是引力波是不存在的。《物理评论》的编辑根据学术界惯例,将这篇论文寄给同行匿名评审,再把评审结果转给爱因斯坦。这个审稿人对爱因斯坦的论文做了详细的点评,认为存在严重的问题,必须做大幅度修改才能发表。爱因斯坦很不高兴,就把稿撤了回来,转投给另外一个期刊《富兰克林研究所杂志》,这个杂志马上就接受了,准备原文照发。


  这时候罗森去苏联基辅大学工作,爱因斯坦换了助手。新助手跟普林斯顿大学物理学教授霍华德·罗伯森关系很好,有一次向他谈起爱因斯坦最近证明了引力波不存在,罗伯森指出爱因斯坦的证明是错误的,不能成立;而且如果把平面波改成柱面波,就能证明引力波是存在的。助手赶快去告诉爱因斯坦,爱因斯坦说他刚好也发现了证明是有问题,匆匆忙忙给《富兰克林研究所杂志》写信要求暂缓发表论文。随后寄去了修改过的论文,把论文标题改成《论引力波》,论文的结论变成了引力波作为柱面波是存在的。在论文注释中爱因斯坦感谢罗伯森教授的指正。这篇论文后来被认为是对引力波的第一个严格数学证明。


  那么罗伯森怎么对爱因斯坦的这篇论文了如指掌呢?大家可能会猜,他会不会就是《物理评论》找的那个审稿人啊?但是审稿都是匿名的,怎么确认是他?直到2005年,《物理评论》编辑部把那段时间的来稿登记记录找出来,才确认了那个匿名审稿人的确就是罗伯森。


  所以即使是像爱因斯坦这么伟大的人,也是会犯学术错误的,也需要有同行来给他把关的,这就是为什么学术期刊要实行同行评议制度。而爱因斯坦毕竟是爱因斯坦,虽然一开始不能接受别人的指正,但最终还是接受了,改正了自己的错误,不然就闹了笑话了。追求“科学梦想”的人,至少要有有错必改的勇气,否则不过是妄想。


  2018.1.8.


(《科学世界》2018.2)


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