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雙縫干涉實驗:平行宇宙或許存在,科學家用實驗揭開神秘面紗!
2023/11/15

在無垠的宇宙中,隱藏著無數個神秘的領域,其中一個引發了人類無盡的好奇心和想象力——平行宇宙。 平行宇宙是一種超越我們熟知的現實的存在,它們與我們的宇宙共同存在,但卻在不同的維度和時間軌跡中演繹著獨立而多樣化的故事。

當我們想象平行宇宙時,我們不禁思考著這個世界的不同可能性。也許在某個平行宇宙里,地球上的歷史發展出了不同的軌跡,一切都與我們所熟知的完全不同。在另一個平行宇宙里,科技的進步可能遠遠超越了我們的想象,給人類帶來了前所未有的奇跡。還有一些平行宇宙,可能與我們的宇宙相似,但微小的變化卻引發了巨大的影響,讓我們的生活產生截然不同的結果。

平行宇宙的概念早在科學與哲學的交匯點上就有所探討。 量子力學中的多世界理論就是其中之一,它提出了宇宙的分支結構,每個分支代表一個可能的現實。

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這種理論認為,在每個瞬間,宇宙會產生無數個分支,每個分支都是一個平行宇宙的誕生。

盡管平行宇宙仍然屬于科學界的探索領域,但它已經成為文學、電影和藝術作品的常見主題。從《時間機器》到《黑鏡》,從《星際穿越》到《終結者》,平行宇宙的概念為我們提供了無限的創作空間,讓我們思考和質疑現實世界的本質。

然而平行宇宙真的存在嗎?物理學家們曾進行過離奇的雙縫實驗,或許揭示了平行宇宙的存在。

光微粒說與光波動說

18到19世紀,關于光到底是以粒子還是波動的形式傳播的爭議很大。在17世紀,牛頓提出了他的光學理論,認為光是由微小的粒子(被稱為光子或光線)組成,這些粒子以直線的方式傳播。 根據牛頓的觀點,光的顏色是由這些微小粒子的屬性決定的,不同顏色的光對應著不同類型的粒子。

牛頓通過一系列實驗和推理來支持他的粒子理論。其中包括他的經典實驗,比如將白光通過一個棱鏡,產生了光的分散現象,形成彩虹色譜。他還提出了粒子理論來解釋光的反射、折射和干涉等現象。

然而英國科學家托馬斯·楊認為光是像聲音一樣以波的形式傳播。 為了證明這一點,托馬斯·楊設計了著名的雙縫實驗,希望能夠觀察到光的干涉現象,從而支持光的波動理論。

他在一個不透明的隔板上,開了兩個非常細小的狹縫,使光能夠通過。光源照射在這個隔板上,然后在隔板后面放置一個接收屏幕。當光通過兩個狹縫后,就會在屏幕上形成圖樣。如果光束是由經典粒子組成,那麼屏幕上就會顯示兩條對應縫隙形狀和大小的單縫圖樣總和;然而事實上光通過兩個狹縫后會出現干涉現象,出現一系列明暗相間的條紋。

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這種情況是因為光在傳播中,像是水波一樣產生了互相干擾,這證明了光其實是以波的形式存在的。在此之后,光微粒說逐漸式微,直到1905年愛因斯坦在光電效應理論上的突破。

光的波粒二象性

在光電效應中,金屬表面受到光照射后,會發射出電子。 根據傳統的波動理論,預期光的能量會被連續地傳遞給金屬中的電子,直到電子獲得足夠的能量才能從金屬表面解脫。然而,實際觀察到的現象是,當光照射的頻率高于某個閾值(稱為截止頻率)時,電子會立即發射出來,即使照射光的強度很低。這是與波動理論不符的。

愛因斯坦提出的解釋是,光的能量是由一系列離散的能量單元組成的,這些能量單元被稱為光子。光子具有粒子性質,每個光子攜帶一定的能量,與光的頻率成正比。

當光照射到金屬時,光子與金屬中的電子發生相互作用,將能量轉移給電子。只有當光子的能量大于金屬中電子的束縛能時,電子才能被解脫出來。

這個理論突破揭示了光的粒子性質,并解釋了光電效應的觀察結果。它對于量子力學的發展和對光的本質的理解產生了深遠的影響。 在愛因斯坦的解釋中,光既可以解釋為粒子(光子),也可以解釋為波動(波動性質的干涉和衍射現象),光具有波粒二象性。

離奇的雙縫實驗

在知道光具有波粒二象性后,科學家們對雙縫實驗進行了升級。 在傳統的雙縫干涉實驗中,當我們不對光子進行觀測時,光通過兩個狹縫形成干涉條紋。這是因為光被視為波動性粒子,

同時通過兩個狹縫后,在接收屏幕上產生干涉現象,形成明暗相間的條紋。

為了監測光子到底通過了哪個縫隙,科學家們加裝了能檢測光子的探測器,這時離奇的事情發生了。

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在接收屏幕上我們只會看到光點的分布,而不再觀察到明暗相間的干涉條紋。起初科學家們以為是實驗設備處了問題,但更換實驗設備,并重復進行多次實驗后都是這個結果。這個變體實驗引發了一個重要的問題,即觀察者的選擇是否會影響實驗結果?

縱觀整個實驗,觀察者的選擇并不會改變光子通過的具體狹縫,也無法預測光子在探測屏上的具體位置。這些結果是完全隨機的,無法被觀察者的選擇所操控。但事實是當我們觀測或測量量子系統時,我們的觀測行為會干擾到系統自身的狀態。 在雙縫干涉實驗中,觀測光子的行為改變了光子的傳播方式,從而影響了實驗結果,就好像光子「察覺」到了人的監視,從而呈現出了不同的實驗結果。

平行世界的存在

1909年,杰弗里·泰勒爵士設計了一個精致的雙縫實驗,他使用極弱的光源使得每次只有一個光子通過雙縫。

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結果屏幕上依舊顯示出干涉圖樣(明暗相間的條紋),這顯示出這個光子具有自己干涉自己的能力,它似乎能夠同時通過兩個狹縫。後來人們繼續用單電子做實驗,發現電子、中子、原子、甚至分子,都具有這種不確定性和隨機性,人們稱其為量子態。

物理學家們又仿照之前的實驗,試圖通過儀器測定電子究竟通過了哪條縫。結果發現同一時間永遠都只有一個儀器偵測到電子,而且屏幕上也不再顯示出干涉圖樣。

為此,物理學家尼爾斯·玻爾提出了著名的「哥本哈根解釋」:當我們沒有觀測時,量子粒子(如電子)可以通過兩個縫隙同時存在的機率幅分布。這意味著粒子的量子態是一個疊加態,包含了通過每個縫隙的機率幅。然而,當我們進行觀測時,例如放置一個檢測器來確定粒子通過哪個縫隙時,量子系統會發生量子坍縮,從而確定粒子的位置。 這意味著粒子坍縮到一個確定的狀態上,只通過其中一個縫隙。觀測的過程會與量子系統相互作用,引起量子態的坍縮。

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另一個著名物理學家埃弗雷特則為此提出了著名的多世界解釋,當我們對量子系統進行觀測或測量時,并不會導致量子態的坍縮。相反,系統的量子態會分裂成多個并行的分支,每個分支代表一種可能的測量結果。換句話說,觀測過程不會導致唯一的結果,而是在不同的分支中產生不同的結果。

在多世界解釋中,每個分支都代表一個「世界」或「實體」,這些世界在觀測過程中同時存在,但彼此相互分離。 簡單來說,就是電子在通過雙縫后,實際上分成了兩個世界,一個世界只能觀察到它通過左邊狹縫,而另一個世界則只能觀察到它通過右邊的狹縫。薛定諤的貓也是同理,世界因為觀察分成了兩個,一個是原子衰變貓死了的世界,另一個是原子沒有衰變,貓還活著。

結語

雙縫實驗堪稱世上最離奇的實驗,它測量出的量子特性暗示著平行宇宙的存在,極大地改變了我們尋常的認知。或許在世界上真有無數個平行世界,也有無數個「我們」。

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