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双缝干涉实验很恐怖,为什么有这种说法?该实验到底恐怖在哪里?

原标题:双缝干涉实验很恐怖,为什么有这种说法?该实验到底恐怖在哪里?

量子力学的疑问

结果先于意识,还是意识先于结果?

以人类常规的思考逻辑来看,我们一定会不假思索地回答道是意识存在影响了结果本身。

可事实真的是这样吗?

量子领域的假想

如果现在要说所有的结果都是注定选择好的,无论我们的意识如何,选择怎样,最终的结果都已经定好了,人们会怎么想呢?

现代物理学中很少有科学实验像双缝实验这样离谱,它向物理界传达的一个最直接的信息便是:

光和物质既可以作为波,也可以作为离散的粒子,这取决于它们是否被观察到。

尽管如此,双缝干涉实验的过程和结果仍是量子力学的一大谜团。

双缝干涉下的光线图案

为了方便理解双缝实验证明了什么,我们得从量子力学中去寻找答案。

1925年,维尔纳·海森堡给马克斯·博恩提交了一份论文回顾,这份论文展示了如何测量亚原子粒子的属性,例如它们的位置、动量和能量。

维尔纳·海森堡与他的物理学

博恩表示这可以通过数学矩阵来表达,单个粒子有明确的凸形和描述,这为后来的量子力学矩阵描述奠定了基础。

同时期内,薛定谔发表了他对量子力学的波动理论,在他的理论中,粒子的定义可以是波形的方程。

也就是说,粒子其实是波

科学家对量子力学的进一步研究产生了“波粒二象性”的概念,这也是量子力学的定义特征之一。

根据此概念,亚原子实体可以被描述为波和粒子,但这取决于观察者如何测量它们。

量子粒子与自身的干涉

量子力学在普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、薛定谔等人的工作下,当前的科学理论都认为所有粒子都表现出了波动性,反之亦然。

另外波动性的表现不仅在基本粒子方面得到了验证,即便是原子甚至分子更大维度的复合粒子上也得到了验证。

然而在宏观粒子中,由于波长太短,通常无法通过科学实验来检测波的特性。

双缝实验下的粒子

观察者决定量子实体如何显现,如果我们试图测量一个粒子的位置,那么测量该粒子的位置时,它便不再是波。

但如果去试图定义它的动量,人们又会发现它的行为和波一样。

除了它存在于该波中任何给定的概率外,科学家无法确定它的位置。

本质来看,将其作为粒子或波来测量,决定了它会以什么形式出现,而双缝实验正是证明这种波粒二象性最简单的例子。

由单一波长的光产生的干涉图案

是波还是粒子?

值得一提的是,双缝实验远远早于科学家们在20世纪对量子力学的描述。

自英国科学家托马斯·杨在1801年首次进行实验来,这个问题已经困科学家200多年。

杨的实验让他发现,光会像波一样出现

如果我们用两个平行的狭缝在墙上照射一束光时,假设光束只有一个波长。

当光线穿过狭缝时,每个狭缝都会出现新的光源并在分隔后的另一侧出现。

来自每个狭缝的光会出现衍射,并于来自另一个狭缝的光进行重叠且相互干扰。

托马斯·杨的画像

任何波都可以产生干涉图案,无论是声波、光波还是穿过水体的波。

当波峰在波谷发生撞击时,它们彼此会抵消,这被称作相消干涉,并会显示出暗带

当波峰撞击波峰时,它们则会相互放大。

这被称作相长干涉,并会显示出亮带

亮带与暗带的组合便被称为“干涉图案”,这可以在狭缝对面的墙壁或是屏幕中看到。

对于光子或电子这样的量子实体,它们虽然也是单个粒子,但如果将它们通过双缝射出一个光子时会发生什么呢?

光子在实验中出现的条纹干涉图案表明,单个光子的行为就像通过了两个缝隙一样,这使它的表现是一个波。

平面波的双缝衍射图案

如果在狭缝前设置一个检测器,它可以观察光子并在检测光子通过时亮起,检测器会在检测时有50%的时间点亮。

此时屏幕上留下的图案会发生变化,它看上去就像两道光杠。

如果在墙后面设置探测器,旨在光子穿过狭缝后才进行检测,便会得到相同的结果。

这意味着即使光子会以波的形式通过两个缝隙,一旦被检测到,它就不再是波而是粒子状态

粒子撞击使波的干涉图案可见

不仅如此,从另一个缝隙出现的第二波也会坍缩回去,通过另一个缝隙检测到粒子。

相关的实践表明,通过双缝隙射出的单个光子越多,探测器在50%的时间里越接近探测到光子。

这就好比抛硬币会随着抛投次数越多,正反面的概率会越接近50%。

这似乎说明,宇宙以某种方式同样在观察实验者,双缝中的实体量子态也受概率定律支配,因此科学家们无法确定一个物体的量子态是什么。

检测器的时间50%图案看起来会像这样

显然,波和粒子产生了截然不同的模式,它们本应该很容易地被区分。

可一旦进入量子力学领域,事情便会出现这种诡异的情况。

原子尺度上,如果我们进行单缝实验,并将光子发射到传感器屏幕上。

光子会在屏幕上显示为一个点,这时我们可以认为光子是粒子。

粒子的最终位置会大致相同

可一旦打开两个狭缝,就会出现干涉。

如果单个地发射光子,如果它们没有机会互相干扰,那它们会表现得像粒子还是波呢?

二重奏

这便是双缝实验最恐怖的地方,起初光子会以随机散射的方式出现在屏幕上。

但随着光子越来越多,干涉图案开始出现,每个光子本身都会对整体波状造成影响。

按理来讲,一次发射一个光子,它们之间不应该出现干涉才对。

一次性发射和单个发射结果一样

缝隙、光子、探测器都是相同的情况下,探测器关闭后,粒子状图案便不会出现。

此时,粒子的表现会再次在屏幕上形成波状的干涉图案

当我们不去观测它的时候,它是波,当我们观测它的时候,它是粒子。

不去观测它,粒子就是正常的

光子似乎知道它们处于波态中会去向哪里,就像影院中观众没有分配座位就出现了,但每个人却又知道自己该坐哪里。

粒子的所有可能路径都可以相互干扰,即使实际存在的路径只有一条,所有现实同时存在,直到最终结果出现。(这类似于叠加态概念)

双缝实验在哥本哈根解释中,玻尔和海森堡为其提供了一种看法。

但两人关于量子力学的看法并不统一,玻尔提供了一种独立于主观观察者或测量的解释崩溃,它依赖于一个“不可逆”过程,并可能发生在量子系统中。

哥本哈根研究所

海森堡则强调观察者和被观察者之间的“切割”,两者无法真正观测到彼此。

另一个重要问题便是波粒二象性,两人的看法在实验本身和数学定义种出现了分歧。

哥本哈根解释否认了波函数提供了普通物质体的直接可理解的图像,或某些此类物质的可辩别成分。

从波函数来看,它是一个数学实体,它为系统上每个可能测量的结果提供概率分布。

量子态的知识还有系统随时间演化的规则,含进了所有可预测的系统行为。

答案究竟会是什么?

也就是说,观测和测量物体的行为不可逆,除非根据物体的测量结果,否则不能将任何真理归因于物体。

双缝实验的观测和结果可以同时存在,观测本身就会导致粒子发生变化,从而影响结果。

换位到哲学中,选择意识是否还具备重要性,结果是否重要。

如果说意识会影响结果,可结果在一开始就被定下,那选择是否还有意义?这便是量子力学在今天给人们带来的思考。返回搜狐,查看更多

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发布于:陕西省
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