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。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。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。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。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。

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。