在太陽內部發現「上帝擲骰子」的證據

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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家在這個量子論問題上爭論了半個世紀。微觀粒子「波粒二象性」的實驗事實，使人們無法再用經典物理描述微觀粒子，只能用波函數來描述。而波函數是一種概率波，用波函數描述的微觀世界是概率性的、不確定的。它導致了量子力學理論的誕生，同時也造就了量子世界與經典世界的根本區別：經典世界是確定的，量子世界是概率性、不確定的。

世界是概率的嗎？愛因斯坦並不贊同這個觀點，他用宗教術語來表達他對量子力學描述的客觀物理世界的看法：「上帝永遠不會擲骰子。」他確信自然界本質上是確定的，只是量子力學理論不完備才產生了概率性。

那麼，親愛的上帝究竟會不會擲骰子呢？上帝擲骰子的行為對於我們生存的世界又有什麼影響？再進一步來說，太陽的發光發熱是否也與它有關呢？

在光球層上，我們可以觀察到在太陽最外層的屬性，元素和光譜特徵。但是，太陽核心處發生的反應才真正為太陽提供了能量。

在太陽內部深處，較輕的原子核變為較重的原子核時，會損失少量的質量，通過著名的E = mc^2轉化為能量 。在4,000,000K以上的溫度下，太陽中心一度達到15,000,000K，氫和氦同位素形成了更穩定的元素，釋放能量，它提供了所有在太陽系中行星上的能量。然而，儘管有這些不可思議的能量，如果宇宙是完全確定的，那麼太陽核心的質子將永遠無法開始這個鏈式反應。它需要量子力學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發展中最有影響力的事件之一。

在二十世紀二十年代，物理學的世界被兩大革命所席捲：廣義相對論，提出了時空的概念以及物質和能量是引力彎曲的原因；量子力學，量子力學則詳細說明了宇宙中的所有粒子都具有波的性質。由於量子物理中的一些基本性質，它本質上是一種非確定性理論，也就是說，你只能討論某些結果的可能性，而不是知道某個特定的原因會導致什麼結果。關於宇宙是否具有內在的確定性這個問題，當時最重要的兩位物理學家，愛因斯坦和玻爾，有許多著名的辯論。愛因斯坦認為答案是肯定的，而玻爾卻不認同他的觀點。

氫原子是物質的最重要的組成部分之一，以具有特定磁子量子數的激發量子態存在。即使它的屬性是明確的，但某些問題，比如「原子中的電子在哪裡」，只能得到有概率性的答案。

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律，決定了哪些粒子會以某種特定的方式運動，而之所以和我們預想的結果不一致，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，當量子物理學在二十世紀二十年代首次出現時，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部的各個區域，包括核心，這是發生核聚變的區域。然而，核心中的單個粒子如果沒有量子物理學的特性就沒有導致核聚變的特性。

總而言之，通過觀察太陽的能量輸出，我們測量出它發出連續的4×10^26 瓦能量，這意味著在太陽核心內部，每秒有多達4×10^38個質子發生聚變生成He-4。如果你認為整個太陽中有大約10^57顆粒子，其中只有不到10％在核心，這就不那麼容易了。畢竟：

• 這些粒子以巨大的能量在運動：每個質子在太陽核心中擁有大約500km/s的速度。

• 密度非常大，所以粒子碰撞發生得非常頻繁：每個質子與其他質子每秒相撞數十億次。

• 因此，它只會在質子——質子的相互作用中佔一小部分融合生成氘，約1 /10^ 28——來產生太陽所需的能量。

所以即使太陽中的大多數粒子都沒有足夠的能量達到這個目標，但它們只需要很少一部分粒子發生核聚變，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子是如何分配能量的，並找出了發生這樣的質子 - 質子碰撞的數字，使其具有足夠的能量進行核聚變。

質子-質子鏈中最直接和產生最低能量的方式，它從最初的氫燃料中產生He-4。

而計算結果顯示這個數字恰好是零。兩個帶正電荷的粒子之間的斥力太大了，以至於在太陽核心中，一對質子無法發生核聚變結合在一起。當你考慮到太陽本身比宇宙中的95％的恆星都要大（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，每四顆恆星中有三顆是M級的紅矮星，它們核心的溫度不到太陽的一半。

恆星的分類系統是非常有用的。通過測量宇宙的局部地區，我們發現只有5％的恆星與我們的太陽一樣大（或更大）。

宇宙中只有5%的恆星的溫度和太陽內部的溫度一樣高或更高。然而，核聚變還是發生了，太陽和所有恆星釋放出出巨大的力量，不知何故，氫轉換成了氦。秘密在於，在基本層面上，這些原子核並不單單表現的像粒子，而是像波一樣。每個質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，使相互作用的粒子的兩個波函數有微小的重疊，即使排斥力會使它們完全分開。

當兩個質子在太陽中相遇時，它們的波函數會重疊，從而暫時產生He-2：一個質子。絕大多數情況下，它會分裂成兩個質子，但是在非常罕見的情況下，它會產生穩定的氘核（H-2）。

這些粒子都有可能經歷量子穿隧效應，最終形成更穩定的束縛狀態（例如：氘）會導致該聚變能的釋放，並允許鏈式反應繼續進行。儘管量子穿隧效應的概率對於任何特定的質子 - 質子交互作用來說都非常小，在某種程度上在1/10^28的數量級上，這與連續三次獲得強力球彩票的幾率相同，但罕見的交互作用足以解釋太陽（幾乎所有恆星）的能量來源。

這是一幅由25張太陽圖片組成的合成圖，展示了太陽在365天內的活動。如果沒有量子力學使核聚變變為可能，那麼我們所認為的「太陽輻射輸出」是不可能出現的。

如果不是因為宇宙中每個粒子的量子性質，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來描述的，那麼使得核聚變發生的重疊將永遠不會發生。當今宇宙中絕大多數的恆星永不會被點燃，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，那麼為恆星提供能量的核火焰永遠不會亮起，為太陽賦予生命的核聚變反應將永遠不會發生。由於宇宙中固有的量子不確定性，我們才獲得了生存的機會。

本文源自於Forbes Science，作者 Ethan Siegel

翻譯：李可為 | 校對：毛明遠

編排：李可為 | 配樂：解仁江

責任編輯：解仁江

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謝謝閱讀

雖然上帝是會擲骰子的，但這並不意味著愛因斯坦是錯的，其言下之意，隨機性或不可精確預期性不是客觀物理世界的根本方面，只不過是人們對它的認識不完備而已。所以愛因斯坦認為，量子力學只不過是對原子及亞原子粒子行為的一個合理的描述，是一種唯象理論，它本身不是終極真理。