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深層探索:恐怖的電子雙縫干涉實驗,我們所看到的真實都是幻象?
2023/09/15

光是粒子還是波?

這個問題在物理學界充滿了爭議,持續了幾百年的爭議。在物理學家眼里,波就是波,粒子就是粒子,兩者截然不同。一個物體怎麼可能既是粒子也是波呢?這說不通,而且也非常違背我們的日常生活認知。

為了驗證光到底是粒子還是波,物理學家們做了很多實驗,其中一個非常著名的實驗就是雙縫干涉實驗,相信大家都聽說過。

實驗并不復雜,也很好理解。兩條狹縫,一個光源可以發射光子。

一開始的實驗并不是兩條狹縫,而是一條狹縫,把光源打開照射狹縫,狹縫后面的屏幕上看到的是單個條紋,中間明亮,越往外越暗。這說明光是波,通過單條狹縫時,發生了衍射。

接下來物理學家用雙狹縫做了同樣的實驗,屏幕上出現了多條干涉條紋。這樣的結果也比較容易理解。

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光在通過雙縫后發生了關涉,就像水波那樣有波峰波谷。

截至目前一切看起來沒有什麼問題,光就是波。

但「粒子派」物理學家非常不服氣,接下來他們做了改良版的雙縫干涉實驗,讓單個光子一個個通過雙縫(不要糾結物理學家怎麼做到的,相信他們的異于常人的大腦和思維)。

一個光子就像一個球那樣。在現實生活中很容易想象到會出現什麼結果。如果我們向雙縫不停地發射玻璃球,最終屏幕上會呈現兩條明顯的痕跡,這很符合我們的日常生活認知。

但是實驗結果讓所有人都大吃一驚。物理學家向兩條狹縫一個一個發射光子,屏幕上呈現的并不是兩條明亮的條紋,而是多條明暗相間的條紋。很明顯,光子在通過雙縫后發生了干涉,形成了干涉條紋!

這樣的實驗結果很不符合通常的邏輯。

要想產生干涉條紋,意味著光子必須同時通過兩條狹縫。但事實上科學家是一個一個發射的光子,理論上不可能同時通過兩條狹縫!

物理學界一下炸開了鍋,如此詭異的現象讓所有人都沒有想到。物理學家做實驗的目的本來是為了驗證光到底是粒子還是波,沒想到最后給物理學家出了更大的難題。結果就是「光是粒子還是波」已經變得不再重要了,物理學家必須趕緊解釋實驗結果!

光子到底是如何同時通過兩條狹縫的?

要想弄清楚答案,其實也不難,在狹縫旁邊安裝攝像頭直接觀測不就行了嗎?我們都能想到,物理學家當然不會想不到,他們真的這樣做了!

不過實驗的對象由原來的光子換成了電子。理由很簡單,電子有質量,還有電荷,更容易觀測,而光子很難觀測,畢竟我們需要有光反射到眼睛里才能看到。

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如果實驗的光子直接反射到我們眼睛里,實驗也失去了意義,而想讓實驗的光子反射外界光子也很難做到。

結果一波未平一波又起,物理學家確實看到了電子是從哪條縫通過的,但沒想到他們的觀測竟然會影響最終的結果。

屏幕上多條明暗相間的條紋竟然神奇地消失了,變成了兩條明亮的條紋!

也就是說,在沒有觀測之前,電子能同時通過兩條狹縫。而一旦實施了觀測,電子就乖乖地「排隊」,一個一個有序地通過狹縫,就像玻璃小球那樣。

物理學家們真的要瘋了!但恐怖的事實還在上演,接下來的實驗真的讓物理學家們為之發狂!

不得不承認物理學家們聰慧的大腦:既然觀測可能會影響電子通過雙縫時的狀態,我們在電子通過雙縫還沒有達到屏幕之前觀測總沒問題了吧?

于是實驗又開始了,物理學家們在雙縫后面安裝了攝像頭,想看看電子到底是如何通過雙縫的。

詭異的事情又上演了。電子就好像能「讀懂」物理學家們的思想一樣,當攝像頭打開觀測時,電子「乖乖地」變成了「玻璃球」,屏幕上呈現兩條條紋。而一旦關閉攝像頭,屏幕上再次呈現多條明暗相間的干涉條紋。

這個實驗就是延遲實驗。實驗結果明顯違背現實世界的因果律,因為電子通過雙縫后狀態已經確定下來,是粒子特性還是波的特性沒法改變。但實驗結果表明,人們的觀測似乎改變了電子通過雙縫時的狀態。

要知道,是人們的觀測在后,電子通過雙縫在前!也就是說,后發生的事情影響了之前已經發生的事情,結果可以影響原因!這太瘋狂了!往大了說:我們可以改變歷史!

愛因斯坦堅信自己的信仰:因果律不可能被打破。而以波爾為代表的「哥本哈根學派」開始「洋洋自得」

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:看到實驗結果了吧,一切都是不確定性決定的,在電子沒有被觀測時,一直處于疊加態,不可能準確描述電子的狀態。一旦實施觀測,電子的狀態就確定了,這就是所謂的「坍縮」!

波爾接著解釋到:在量子世界,沒有所謂的因果律,只有互補原理。原因和結果并不是我們傳統認為的因果關系,兩者是互補關系,可以互相影響,形成互補關系。

波爾的解釋確認讓人摸不著頭腦:將來的事情可以影響到現在和過去。這句話如果不是出自著名物理學家波爾的口中,如果不是有真實的實驗來證明,你是不是會認為說這話的人瘋掉了?

難怪物理學家費曼會說:沒有誰能真正懂得量子力學。他說這話的深層含義其實是我們不能用現實世界的日常認知去理解量子世界。

但畢竟微觀世界與巨觀世界并沒有明顯的分界線,我們本身也是由微觀粒子組成的。

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如果像電子這樣的微觀粒子擁有波的特定,位置和速度都不確定,可以隨時出現在原子核周圍任何地方,那麼理論上我們人類也應該有這種特性。

而德布羅意提出的「物質波」概念確實提到了這點,他指出「萬物皆波」,萬物都有波動性,而且可以結算出波長,公式為:

λ就是物體的波長,h普朗克常數,m物體質量,v物體速度。質量越大,波長越小。我們在巨觀世界看到的物體波長實在太小了,所以一般都會表現出粒子特性,而不是波動性。

但純理論上分析,仍有那麼非常非常微小的機率,你也可以同時通過兩條狹縫,你可以同時出現在兩個不同的地方,比如此刻的你正在讀這篇文章,同時你也有可能在月球上或其他任何地方。

看到這里,是不是徹底瘋了?

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