违反逻辑的双缝干涉实验,比想象中恐怖,我们的世界是真实的吗?

原标题:违反逻辑的双缝干涉实验,比想象中恐怖,我们的世界是真实的吗?

很少有科学实验像双缝干涉实验一样奇怪而引人注目。

现代物理学中很少有实验能够传达这样一个简单的想法——光和物质可以同时作为波和离散粒子,这取决于它们是否被观察到——但这仍然是量子力学的一大谜团。

尽管它很简单,但这种实验很难让你全神贯注,因为它所显示的内容非常违反逻辑。但双缝干涉实验不仅在世界各地的物理实验室重复了无数次,甚至还衍生出许多衍生实验,进一步强化了其最终结果,即粒子可以是波,也可以是离散的物体,仿佛当你在看他们时,他们“知道”。

 谁发明了双缝干涉实验?

双缝干涉实验实际上比量子力学早了一个多世纪。

在科学革命期间,光的性质是一个特别有争议的话题,许多人——比如牛顿主张支持光的微粒理论,即光是通过粒子传播的。

其他人认为光是通过“以太”或其他介质传播的波,声音通过空气和水传播的方式,但牛顿的名声和缺乏证明光的波动理论的有效手段巩固了粒子的观点距离牛顿于 1704 年发表他的《光学》仅差一个 世纪。

最终的论证来自英国博学家托马斯·杨(Thomas Young),他在 1803 年向伦敦皇家学会提交了一篇论文,描述了一对简单的实验,使用反射的阳光照射到卡片上的两个狭缝作为目标,由此产生的光衍射显示出预期的干涉图案,亲眼看到光实际上是一种波。

后来这个实验被称为“杨氏干涉实验”,对牛顿的光粒说理论形成致命打击。

为什么很多人称双缝干涉实验恐怖?

首先光不仅仅是一种波,它也是一种叫做光子的粒子。那么如果你在双缝上射出一个光子会发生什么呢?事实证明,即使只有一个光子,它仍然会形成干涉图案,就好像光子同时穿过两个狭缝。

但最让科学家感到“意外”的是,仅仅通过观察双缝干涉实验,光子的行为就会发生变化。

双缝干涉实验背后的想法是,即使光子一次通过一个狭缝发送,仍然存在产生干涉图案的波。该波是一种概率波,因为实验是这样设置的,因此科学家们不知道任何单个光子将通过两个狭缝中的哪一个。

然而如果他们试图通过在每个狭缝前设置探测器来确定光子真正通过哪个狭缝来找出答案,则干涉图案根本不会出现。即使他们尝试在狭缝后面设置探测器也是如此。无论科学家们做什么,如果他们尝试任何方法来观察光子,干涉图案都不会出现。

是的,它变得比这更奇怪。

一组科学家尝试了双缝干涉实验的变体,称为双缝干涉延迟实验。科学家们在每个狭缝处放置了一个特殊的晶体。晶体将任何传入的光子分裂成一对相同的光子。这对光子中的一个光子应该继续产生标准干涉图案,而另一个光子则进入探测器。也许通过这种设置,物理学家可能会成功地找到一种方法来观察光子的反逻辑行为。

但这是最奇怪的部分:不管检测何时发生,它仍然不起作用。即使在第一个光子撞击屏幕后检测到第二个光子,它也会破坏干涉图案,这意味着观察一个光子可以改变已经发生的事件。

简而言之,当有观察者时,它是粒子;当没有观察者时,它是波。

这产生了波粒二象性的概念,这是量子力学的定义特征之一。根据这个概念,亚原子实体可以被描述为波和粒子,由观察者决定如何测量它们。

最后一部分很重要,因为它将决定量子实体将如何显现。如果你试图测量一个粒子的位置,它就不再是波了。如果你试图定义它的动量,你会发现它的行为就像一个波,除了它存在于该波中任何给定点的概率之外,你无法知道它的位置的任何确定性。

打个比分,你在教室上自习的时候,在复习本上放着漫画书看漫画。当老师出现在门口,你赶紧将漫画书放到作业本下假装复习,老师一走开,你又开始看漫画。在这个过程中,看漫画还是在复习这两种状态,取决老师是否出现。

这有点玄学的意思,即粒子好像有意识的,仿佛“知道”有观察者在看它们。而且宇宙之所以这样,完全是因为我们观察所致,甚至一些激进的说法认为我们所认为的宇宙是某种未知意识参与形成。但是科学家否认这种可能性的存在,正如爱因斯坦说上帝不会掷骰子,宇宙是客观存在的,不然我们对整个世界和宇宙的所有认识都可能崩溃。

意识影响现实 or 平行宇宙?

虽然物理学家不承认粒子有意识,但是一些实验在试图证实粒子有意识。

心理学家迪恩·雷丁(Dean Redding)在2012年做了一个实验,他总共召集了130名普通人(A组)和禅修者(B组),然后让两组人在实验室进行冥想,然后几秒后告诉他们实验内容,几秒后再让他们将注意力转移。结果显示,冥想专注实验内容时,粒子干扰变得微弱,转移注意力时,粒子干扰变得更强,表明意识可以影响微观世界。不过这个实验没有被物理学界接受。

虽然科学家们仍然不确定这整件事究竟是如何运作的,但有科学家提出了一些有趣的解释。

美国理论物理学家艾弗雷特三世(Hugh Everett III)在1957年发表论文,将观察者与被观察的对象纳入同一系统之中,他认为量子测量带来的其实可能不是坍缩的现象,而是分裂——观测时,粒子原来的各种可能状态并没有消失,只是各自分散到平行世界去。以薛定谔的猫来说,我们打开箱子,如果看到猫是死的,那么在另一个平行世界,这只猫却是活的。

虽然这个解释在当时有点惊世骇俗,却没有在学界引起涟漪,甚至艾弗雷特在两年后被量子力学巨擘当面泼了冷水,从而放弃了量子力学。

最后,这个实验只是思想实验,之所以出现如此匪夷所思的结果,单纯是因为量子力学理论没完善。这也是为什么量子力学是现代科学中争论最激烈、谜团重重的领域之一的原因。

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