上帝在太阳内部掷骰子

作者: Ethan Siegel

来源: https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/09/15/proof-of-god-playing-dice-with-the-universe-found-in-the-suns-interior/#3015c0423b03

发布日期: 2017-09-17

文章探讨了量子力学在太阳核心核聚变中的作用,解释了如果没有量子力学,太阳和其他恒星的能量释放将不可能发生,从而强调了量子力学对于宇宙中能量和生命存在的重要性。

在太阳的内心深处,当轻原子核聚变成重原子核时,有非常小的一部分质量消失了。这部分消失的质量通过著名的公式 E=mc² 转换成了能量。在太阳核心的高温之下,氢和氦同位素会形成更加稳定的元素,释放出的能量足以使太阳系的所有行星都沐浴其中。尽管能量如此惊人,但如果宇宙是完全决定论的,那么在太阳核心的质子是永远无法开始链式反应的。

只有考虑到具有波本质的量子力学,这一切才成为可能,而这也证明了爱因斯坦曾经说过的“上帝不会掷骰子”的说法是错误的。

1920年代,广义相对论和量子力学的发展彻底颠覆了物理学世界。前者将弯曲的时空、物质、能量和引力联系在一起,后者则描述了宇宙中所有的粒子也表现的像波。

由于量子物理的一些基本性质,因此它的内在本质就是非决定性的理论,这意味着我们只能探讨特定结果发生的概率,而无法得知道一个特别设置产生的结果。物理史上最重要的两位物理学家——爱因斯坦和玻尔——对我们的宇宙的内在是否是决定论的产生了几次重要的辩论。爱因斯坦认为宇宙是决定论的,而玻尔并不这么认为。

太阳每秒钟输出能量为 4×10²⁶ 瓦,这就意味着在太阳核心,每秒钟大约有 4×10³⁸ 个质子聚变成氦 4。整个太阳大约包含了约 10⁵⁷ 个粒子,其核心大约占了 10% 左右。这些粒子以极高的能量运动着:在太阳核心的中央,每个质子的运动速度可达到约每秒 500 千米。同时,其密度也极高,使粒子之间的碰撞极为频繁:每个质子每秒钟都会和其它质子发生几十亿次的碰撞。

而这其中只有一小部分,大约 10²⁸ 分之一的质子相互作用会聚变产生重核,进而释放出能量。

宇宙中只有 5% 的恒星,其内部的温度与太阳相当或更高。但是,核聚变还是发生了,太阳和所有其它的恒星都释放着惊人的能量,氢也以某种方式聚变成氦。这其中的奥秘在于,在基础层面上,这些原子核的表现并不仅仅像粒子,也像一种波。

每个质子都是量子粒子,包含了描述它的位置的概率函数,而两个作用粒子的波函数有机会发生轻微的重叠,即使它们间的排斥力会使它们分开。这些粒子总是有机会能够进行量子隧穿,进而有机会达到更稳定的束缚态——比如氘,导致了聚变能的释放,并使链式反应的发生得以进行。尽管在特定质子对之间发生量子隧穿的可能性非常小,小到只有 10²⁸ 分之一,但这罕见的可能性就足以解释太阳以及所有恒星能量的来源了。

如果宇宙中的粒子不具有量子本性,如果它们的位置不具有内在的量子不确定性,并不由波函数描述,那么使核聚变发生的重叠就不可能发生。这就意味着今天宇宙中绝大部分熠熠生辉的恒星就不会被点燃。如果是这样,那么我们就无法看到由星光点缀的夜空,宇宙将变得荒芜而寒冷。幸运的是,量子力学使太阳拥有了光芒。从基本的层面来说,假如上帝不和宇宙掷骰子,那么太阳核心的聚变就不会发生。

正是由于宇宙内在的基本量子不确定性,生命才有机会出现。

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