原標(biāo)題:在太陽內(nèi)部發(fā)現(xiàn)“上帝擲骰子”的證據(jù)
提到“上帝擲骰子”，想必大家一定不會陌生，愛因斯坦和波爾兩位劃時代的科學(xué)家在這個量子論問題上爭論了半個世紀(jì)。微觀粒子“波粒二象性”的實驗事實，使人們無法再用經(jīng)典物理描述微觀粒子，只能用波函數(shù)來描述。而波函數(shù)是一種概率波，用波函數(shù)描述的微觀世界是概率性的、不確定的。它導(dǎo)致了量子力學(xué)理論的誕生，同時也造就了量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別：經(jīng)典世界是確定的，量子世界是概率性、不確定的。
世界是概率的嗎？愛因斯坦并不贊同這個觀點，他用宗教術(shù)語來表達(dá)他對量子力學(xué)描述的客觀物理世界的看法：“上帝永遠(yuǎn)不會擲骰子。”他確信自然界本質(zhì)上是確定的，只是量子力學(xué)理論不完備才產(chǎn)生了概率性。
那么，親愛的上帝究竟會不會擲骰子呢？上帝擲骰子的行為對于我們生存的世界又有什么影響？再進(jìn)一步來說，太陽的發(fā)光發(fā)熱是否也與它有關(guān)呢？
在光球?qū)由?，我們可以觀察到在太陽最外層的屬性，元素和光譜特征。但是，太陽核心處發(fā)生的反應(yīng)才真正為太陽提供了能量。
來源：NASA’s Solar Dynamics Observatory / GSFC
在太陽內(nèi)部深處，較輕的原子核變?yōu)檩^重的原子核時，會損失少量的質(zhì)量，通過著名的E = mc^2轉(zhuǎn)化為能量 。在4,000,000K以上的溫度下，太陽中心一度達(dá)到15,000,000K，氫和氦同位素形成了更穩(wěn)定的元素，釋放能量，它提供了所有在太陽系中行星上的能量。然而，盡管有這些不可思議的能量，如果宇宙是完全確定的，那么太陽核心的質(zhì)子將永遠(yuǎn)無法開始這個鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。它需要量子力學(xué)的波動性才能夠解釋，這證明愛因斯坦的著名論斷“上帝不會擲骰子”是錯誤的。
1925年，玻爾和愛因斯坦在保羅·埃倫弗斯特（Paul Ehrenfest）家中討論了許多話題。玻爾 - 愛因斯坦的辯論是量子力學(xué)發(fā)展中最有影響力的事件之一。
來源：Paul Ehrenfest
在二十世紀(jì)二十年代，物理學(xué)的世界被兩大革命所席卷：廣義相對論，提出了時空的概念以及物質(zhì)和能量是引力彎曲的原因；量子力學(xué)，量子力學(xué)則詳細(xì)說明了宇宙中的所有粒子都具有波的性質(zhì)。由于量子物理中的一些基本性質(zhì)，它本質(zhì)上是一種非確定性理論，也就是說，你只能討論某些結(jié)果的可能性，而不是知道某個特定的原因會導(dǎo)致什么結(jié)果。關(guān)于宇宙是否具有內(nèi)在的確定性這個問題，當(dāng)時最重要的兩位物理學(xué)家，愛因斯坦和玻爾，有許多著名的辯論。愛因斯坦認(rèn)為答案是肯定的，而玻爾卻不認(rèn)同他的觀點。
氫原子是物質(zhì)的最重要的組成部分之一，以具有特定磁子量子數(shù)的激發(fā)量子態(tài)存在。即使它的屬性是明確的，但某些問題，比如“原子中的電子在哪里”，只能得到有概率性的答案。
來源：Wikimedia Commons user Berndthaller
直到1950年愛因斯坦逝世，他一直拒絕相信玻爾所說的“上帝會擲骰子”的觀點。他推斷，一定存在一些潛在的規(guī)律，決定了哪些粒子會以某種特定的方式運(yùn)動，而之所以和我們預(yù)想的結(jié)果不一致，僅僅是我們的實驗或觀察的失敗，從而使我們無法看清事情的真相。然而，當(dāng)量子物理學(xué)在二十世紀(jì)二十年代首次出現(xiàn)時，只有兩種基本作用力：引力和電磁力。核力仍然是未知的，這幾乎意味著太陽的能量來源——核聚變——也不為人所知。如果愛因斯坦知道這一點，他就會意識到他是錯誤的！
這個剖面展示了太陽表面和內(nèi)部的各個區(qū)域，包括核心，這是發(fā)生核聚變的區(qū)域。然而，核心中的單個粒子如果沒有量子物理學(xué)的特性就沒有導(dǎo)致核聚變的特性。
來源：Wikimedia Commons user Kelvinsong
總而言之，通過觀察太陽的能量輸出，我們測量出它發(fā)出連續(xù)的4×10^26 瓦能量，這意味著在太陽核心內(nèi)部，每秒有多達(dá)4×10^38個質(zhì)子發(fā)生聚變生成He-4。如果你認(rèn)為整個太陽中有大約10^57顆粒子，其中只有不到10％在核心，這就不那么容易了。畢竟：
這些粒子以巨大的能量在運(yùn)動：每個質(zhì)子在太陽核心中擁有大約500km/s的速度。
密度非常大，所以粒子碰撞發(fā)生得非常頻繁：每個質(zhì)子與其他質(zhì)子每秒相撞數(shù)十億次。
因此，它只會在質(zhì)子——質(zhì)子的相互作用中占一小部分融合生成氘，約1 /10^ 28——來產(chǎn)生太陽所需的能量。
所以即使太陽中的大多數(shù)粒子都沒有足夠的能量達(dá)到這個目標(biāo)，但它們只需要很少一部分粒子發(fā)生核聚變，就能夠為我們所看到的太陽提供能量。所以我們計算了太陽核心的質(zhì)子是如何分配能量的，并找出了發(fā)生這樣的質(zhì)子 - 質(zhì)子碰撞的數(shù)字，使其具有足夠的能量進(jìn)行核聚變。
質(zhì)子-質(zhì)子鏈中最直接和產(chǎn)生最低能量的方式，它從最初的氫燃料中產(chǎn)生He-4。
來源：Wikimedia Commons user Sarang
而計算結(jié)果顯示這個數(shù)字恰好是零。兩個帶正電荷的粒子之間的斥力太大了，以至于在太陽核心中，一對質(zhì)子無法發(fā)生核聚變結(jié)合在一起。當(dāng)你考慮到太陽本身比宇宙中的95％的恒星都要大（且核心溫度更高）時，這個問題就變得更糟糕了，請記住，事實上，每四顆恒星中有三顆是M級的紅矮星，它們核心的溫度不到太陽的一半。
恒星的分類系統(tǒng)是非常有用的。通過測量宇宙的局部地區(qū)，我們發(fā)現(xiàn)只有5％的恒星與我們的太陽一樣大（或更大）。
來源：Kieff/LucasVB of Wikimedia Commons / E. Siegel
宇宙中只有5%的恒星的溫度和太陽內(nèi)部的溫度一樣高或更高。然而，核聚變還是發(fā)生了，太陽和所有恒星釋放出出巨大的力量，不知何故，氫轉(zhuǎn)換成了氦。秘密在于，在基本層面上，這些原子核并不單單表現(xiàn)的像粒子，而是像波一樣。每個質(zhì)子都是一個量子粒子，其中包含一個描述其位置的概率函數(shù)，使相互作用的粒子的兩個波函數(shù)有微小的重疊，即使排斥力會使它們完全分開。
當(dāng)兩個質(zhì)子在太陽中相遇時，它們的波函數(shù)會重疊，從而暫時產(chǎn)生He-2：一個質(zhì)子。絕大多數(shù)情況下，它會分裂成兩個質(zhì)子，但是在非常罕見的情況下，它會產(chǎn)生穩(wěn)定的氘核（H-2）。
來源：E. Siegel / Beyond The Galaxy
這些粒子都有可能經(jīng)歷量子穿隧效應(yīng)，最終形成更穩(wěn)定的束縛狀態(tài)（例如：氘）會導(dǎo)致該聚變能的釋放，并允許鏈?zhǔn)椒磻?yīng)繼續(xù)進(jìn)行。盡管量子穿隧效應(yīng)的概率對于任何特定的質(zhì)子 - 質(zhì)子交互作用來說都非常小，在某種程度上在1/10^28的數(shù)量級上，這與連續(xù)三次獲得強(qiáng)力球彩票的幾率相同，但罕見的交互作用足以解釋太陽（幾乎所有恒星）的能量來源。
這是一幅由25張?zhí)枅D片組成的合成圖，展示了太陽在365天內(nèi)的活動。如果沒有量子力學(xué)使核聚變變?yōu)榭赡埽敲次覀兯J(rèn)為的“太陽輻射輸出”是不可能出現(xiàn)的。
如果不是因為宇宙中每個粒子的量子性質(zhì)，而且它們的位置是通過具有固有的量子不確定性的波函數(shù)來描述的，那么使得核聚變發(fā)生的重疊將永遠(yuǎn)不會發(fā)生。當(dāng)今宇宙中絕大多數(shù)的恒星永不會被點燃，包括我們自己的。我們的宇宙將不會被燃燒的原子能所照亮，從而變得荒涼而冰冷。
量子力學(xué)的力量讓太陽光芒閃耀。從根本上說，如果上帝沒有在宇宙中擲骰子，那么為恒星提供能量的核火焰永遠(yuǎn)不會亮起，為太陽賦予生命的核聚變反應(yīng)將永遠(yuǎn)不會發(fā)生。由于宇宙中固有的量子不確定性，我們才獲得了生存的機(jī)會。
翻譯：李可為 | 校對：毛明遠(yuǎn)
編排：李可為 | 配樂：解仁江
