有人说双缝干涉延迟实验的结果让人恐惧,你怎么看?

如果说宇宙不是完美的,它有BUG(漏洞),你信么?双缝干涉实验似乎一步步地发现了这个宇宙“漏洞”

双缝干涉实验是什么?

当我们在水中丢下一块石头,那么水面就会产生波纹,如果同时丢下两块石头,两个水波之间就能够出现交叉的干涉条纹。这就是波能够互相干涉的特征。

双缝干涉实验既在一个光源前放置一个开了两条缝隙的不透明挡板,挡板后面再放置一个能够观测到的背景。当我们打开光源,会看到背景上出现明暗相间的条纹,这就是简单的双缝干涉实验。这个实验证明了光是一种波!因为光在穿过两条缝隙后产生只有波特有的干涉,相反的波被抵消,相向的波被增强,导致背景上明暗相间的条纹。(日常生活中主动降噪耳机就是利用了这个原理,用相反的声波抵消了噪音)

下面我们把实验升级一下,光源变得非常小,背景换成高灵敏高分辨的底片。打开光源后,一开始我们看到了无数随机分布的小点,随后这些小点越来越多最终形成明暗相间的条纹!实验升级后证明光是一种粒子并且还具备波的特征也就是光的波粒二象性

双缝干涉延迟实验

虽然双缝干涉实验已经让人赞不绝口,不过科学家们还是在这个实验上再次升级。将光源变成一次发射一粒的电子!电子要通过这块挡板只能随机通过两条缝隙。

我们知道,要干涉就必须有对象,没有对象怎么被干涉?然而这一次实验结果出事了,即便单个电子在随机穿过两条缝隙后依然在最后形成了干涉条纹。

这个结果震惊了科学界!为什么单个电子能够自我干涉?难道他还有一个分身?更诡异的是当我们观察电子是通过哪一条缝隙时,干涉条纹消失了。当取消观察时,干涉条纹又神奇的出现了!冥冥中仿佛有一双眼睛窥视着我们,只能让我们看到电子穿越缝隙的路径(粒子特征)或者电子的干涉条纹(波特征)其中之一!

双缝干涉之延迟选择量子擦除

看到这里,你也许认为上面的实验会有很多未知的漏洞,我们观察电子时已经打扰了电子的正常运动导致电子属性改变,只是我们没有办法找出这个因素。接下来科学家用更加复杂精密的方法来做双缝实验。将一个光子分离成一对纠缠的光子A和B(纠缠的量子能够无视距离影响对方)

AB分别做双缝干涉实验(互不影响的环境),而B距离感应屏比A远,这样A会比B要先到达感应屏。当我们在B实验中放置相机观测到B通过双缝的路径时,A实验的干涉图像消失,显然,纠缠的两个光子是互相影响了,B得不到的波属性A也得不到。接下来,我们通过技术手段把B获得的路径信息擦除,然后A和B都出现了干涉条纹。这里就出现了两个个非常诡异的现象。测量到光子的路径信息只是”泄露”,没有主管观意识去查看,干涉条纹会消失!把这个路径信息擦除掉,干涉条纹又会出现!

更诡异的是,实验中我们设定从B获得路径信息时,A早就已经到达了感应屏形成了图像!这时候擦除B的路径信息,A感应屏已经”拍好照”的图像会鬼魅般地变成干涉条纹!

让人难以理解的“宇宙程序”

很多人一开始认为,观察光子路径就是人类意识干预了实验。不过我们从最后一个实验得知,在延迟选择实验中,测量到的路径信息,你看与不看,宇宙程序它已经认定了你泄露了天机!光子波动属性就被隐藏了!我们得不到干涉图像。如果我们把这个泄露的天机抹除掉,宇宙程序马上修复了光子的波动性,让我们得到了干涉图像。没想到的是,我们人类在实验室上利用量子纠缠钻了个空子,让图像形成之后再得到路径信息。接着我们再去选择是泄露还是擦除,宇宙程序任然按照原来的指令执行了。让已经形成的图像变了回去(曾经不干涉的光子,在曾经又干涉了。这话很绕)?这是不是意味着我们找到了一个宇宙程序的BUG,用现在的决定,改变了过去!还是另有其他原因?我们生存的宇宙,这个看不到边无比真实的世界,难道是一个设定好的“程序”?或者说宇宙这个看似无比完美运行的世界其实还有一些漏洞。如果人类将来利用这些漏洞未来的世界会发展成什么样子?

很多人听过双缝干涉实验后会认为“玄之又玄”,于是有了“遇事不决量子力学”。实际上,量子力学是人类了解宇宙底层逻辑的敲门砖,而双缝干涉实验则是量子力学核心的显现,下面我聊聊双缝干涉实验到底多“诡异”,它揭示了宇宙哪些核心?

薛定谔的猫、上帝掷骰子、平行宇宙哪来的?

由于量子太过抽象,因此我们把量子现象过渡薛定谔的猫,再回到双缝干涉实验就容易理解了。这是薛定谔给我们理解量子力学的好例子。

话说啊,有个封闭的盒子里面装一只猫,然后一个量子装置连着毒药瓶,猫的生死取决于量子性质,如果量子发生衰变猫死,反之则没事。换句话说,猫的生死间接表现了量子的性质。实验的问题是猫最后是死的,还是活的?

各路大佬都说出了自己的看法,主流看法有三个:

哥本哈根学派,波尔:这是只量子猫,它在盒子里的概率是100%的可能性是活的,同时100%可能性是死的,两种状态同时存在,叠加在一起,当你打开盒子一瞬间,猫的生死才会表现出来,生死的结果是随机的。

爱因斯坦、薛定谔:猫50%是死的,50%是活的,我们打开盒子之前它就已经死了,或者还活着,我们打开盒子看到的是结果,而不是诱发结果。

爱因斯坦:波尔,按你的意思是打开盒子时,上帝发现有人要来看结果了,赶紧摇号决定了猫的生死?

波尔:你别管上帝能干什么!

休·埃弗雷特:安静安静,我还没说呢!首先波尔的叠加态我是认同的,但是100%+100%=200%,打开盒子前与打开盒子后应该守恒才对,因此我认为如果打开盒子时猫死了,那么活着的猫应该存在于另外一个世界中——平行宇宙。

爱因斯坦、薛定谔、波尔:你厉害, 我们竟然不知道如何证明你说的是错的!

故事先到这里,看得懂看不懂没关系,先说结果:波尔是对的!而平行宇宙证明不了,最多算假说。在这个故事中有几点很重要:

1.猫即死又活的状态——叠加态

2.打开盒子意味着观测,观测会让叠加态随机坍缩为单一状态。(上帝摇号!)

3.前两点,打开前与打开后,还隐含了波粒二象性。(下面再说)

光到底是什么?——双缝干涉的“诡异”

接下来我们看双缝干涉,这事要先从牛顿说起,源于一个看似简单,然而谁都答不上来的问题——光是什么东西?

图:牛顿三棱镜实验

牛顿作为当代学霸,为光学做出了不少贡献,比如阳光是由多种光混合而成的三棱镜实验就是他搞出来的。他认为光又能反射,还折射,运动轨迹会改变,就像乒乓球扔墙上会反弹回来,因此它最小的单位应该是粒子。

十九世纪,托马斯·杨反击牛顿,他只干了一件事,让一束光通过了两条小缝,后面有块感应屏。“按照牛顿的说法”这个实验的结果应该是两条条纹,如下面:

实际上却出现了下面的结果:

于是老杨说光就像下面的水波一样,其实波:

通过缝隙的光波变成了两个波,两个波接触干涉,出现和水一样的现象,于是在屏幕上显示出干涉条纹。

这就是双缝干涉实验,但是诡异的事情是量子力学的双缝干涉实验。

好景不长,随着黑体辐射实验,普朗克发现光能量是一份一份不连续的,爱因斯坦发现光电效应,即光与原子作用时是以粒子的形式交换能量的。于是大家重新审视双缝实验,对它进行升级。

既然光是一粒一粒的,那么我们把光子一粒粒通过双缝会发生什么?(实际实验用的是电子,道理是一样的)

大佬们很快地照着两条缝像机关枪一样发射一梭子电子,显示屏上随机出现大量的粒子,但站远点看这些粒子同样组成了干涉条纹。既然是粒子,为何会发生干涉?

于是有人认为一大堆电子在一起挤来挤去的所以发生了干涉,有点像儿童乐园里的海洋球,当你跳进去,海洋球虽然是一粒一粒的,但是会像波一样往向外扩散,于是就有了虽然是粒子但同样会发生干涉。但真的只是这样吗?

图:实验结果

科学家再次做了实验,改成了“手枪式”发射,“啪”打一发电子,电子到达了感应屏,再打下一发,杜绝了两个电子在运动时发生干涉。然而科学家懵了,快点打和慢点打,结果是一样的,屏幕还是出现了波动性,才会出现的干涉条纹,而不是两条条纹!也就是说单个电子发生了干涉,那么它和谁干涉呢?就两个缝,它只能选一个穿过,另一个缝没有电子出来,上哪干涉去?

为了解决了问题,大佬们就在实验中安上了光电探测器“去看它”,看看电子是如何完成干涉的!结果发现电子老老实实的在感应屏上形成了两条条纹。大家:上帝,告诉我发生了什么!

上面的故事已经给了答案:波粒二象性

先按不靠谱的平行宇宙理论来解释:你不看时,电子即从A缝过去,又从B缝过去,然后发生了干涉,你可以理解为量子出现了一个分身。如果你去看它,宇宙就分裂了,如果电子从A缝进入,那么平行宇宙中的电子就从B进入,是我们去探测引起了宇宙的分裂,导致处于两个宇宙中的电子(分身)无法形成干涉。

波尔的解释:前半段和平行宇宙一样,电子处于叠加态,这是一个波的状态,但当你去看它,就随机坍缩成了粒子态。

爱因斯坦:无法解释!肯定有什么我们还没弄清楚的,反正上帝是不会摇号的。

图:我们印象中电子在原子中是这样的

图:实际上它是这样的,因此也叫电子云,具有概率性、波动性。

到目前的科学研究成果来看,波尔是对的。量子具有波粒二象性,这是量子力学的核心。一个电子同时具有波与粒子的性质。

当它没有坍缩成粒子时,虽然也是以单个粒子发射,但波的性质也在发挥着作用,当你发单个电子就类似于发射出水波,你发射了一堆电子,其实就是在发射一堆波,这些波都会按着干涉后的结果显示在感应屏上。当你探测电子,它坍缩成单独的粒子性质,所以一堆电子打出去,没有发生干涉,只出现两条条纹。

如果不理解量子的性质就会觉得,我不看出现干涉条纹,我看了却不干涉了,似乎有点“恐怖”,理解了就理所当然了,量子力学是目前人类发现的宇宙最底层的逻辑,它可以解释宇宙起源,大到宇宙的构成,小到组成宇宙最小结构的粒子的形成。

答:算不上恐怖,但是这个实验很神秘。双缝实验是英国科学家托马斯·杨在1807年提出的,该实验证明了光波动性;到了20世纪初,量子力学的出现,给双缝实验增加了新的解释。


光的历史

牛顿是光学的鼻祖人物,在17世纪建立经典力学,认为光是由许多微小粒子组成的粒子流,也就是“光的粒子学说”,该理论成功解释了光的折射、反射等等现象,在后来的100多年时间里,粒子学说一直被视为光的正统学说。

直到1807年,英国科学家托马斯·杨发现了光的双缝干涉实验,这一实验证明光是波而非粒子,因为干涉是波的特征,从此,光的波动学说逐渐代替粒子学说成为正统。

又过了100多年,光的波动学说遇到一些无法解释的现象,比如黑体辐射、光电效应等等,然后普朗克、爱因斯坦等人,再次把光的粒子学说搬上科学舞台。

随着量子力学的发展,科学家提出了光的波粒二象性,大物理学家费恩曼曾说过:“双缝干涉是量子力学的核心实验,其中包含了量子力学最深刻的奥秘。”


双缝干涉

在经典力学的波动学说中,双缝干涉就是对光的波动解释,并没有神秘的地方;但是在量子力学中,双缝干涉就没那么容易解释了,其中有很多地方,科学家到现在都没有弄清楚。

对于该实验,首先量子力学认为,光是由一份一份的光量子组成,每份的能量大小为E=hυ,其中h为普朗克常数,υ为光子的频率。

一束单色光穿过狭窄的单缝后再次穿过双缝,就会在双缝后面的屏幕上产生干涉条纹;该实验的神秘之处在于,如果我们一个一个地发射光子,也能得到干涉条纹,甚至我们把光子换成电子,甚至是分子,也能得到干涉条纹。

如果从粒子的角度看,粒子穿过单缝后,再次穿过双缝时只有两个选择,应该在屏幕上得到两条亮纹;可事实是得到了多条明暗相间的干涉条纹,说明单个粒子在该实验中能进行自我干涉。

换句话说,单个粒子不是通过了一条缝,而是同时通过了两条缝;你没听错,是单个粒子在同一时间,同时通过了双缝,就好似单个粒子一分为二后通过了双缝,然后再进行干涉组成一个粒子落到屏幕上。

该实验的神秘之处还在于,一旦我们试图探测粒子到底穿过了哪条缝,比如在双缝处加上探测器,那么干涉条纹会立刻消失,就好像粒子知道你对它进行观测了一般。


实验过程的观察与否,居然会影响到实验结果,这是非常令人费解的;当初爱因斯坦还对量子力学嘲笑到:难道在你不观察时,月亮就不存在!

这个解释让人非常难以接受,但这正是量子力学对双缝实验的诠释,无数顶尖级的物理学家,都试想过你能想到的任何可能,最后都认为这个解释是最合理的。

该实验经过延伸,还引出薛定谔的猫、量子延迟选择实验等等;比如在薛定谔的猫中,猫死与猫活,对应的就是双缝干涉实验中的两条缝,两个实验本质上是一样的,如果解决了双缝干涉实验,也就解决了那只半死不活的猫。


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其实双缝干涉实验本身并不恐怖,恐怖的是随着实验的一步步推进,人类得出了一些非常规的,违背了人类常识的结果。微观的世界真的非常复杂,复杂到世界上最聪明的脑袋都想不明白这到底是怎么回事。

光波动性

我们现在知道光其实就是波,一种电磁波,但是在很早的时候科学家认为其实光是一种粒子。

波有一个特性,就是当两列相干波相遇叠加的时候,叠加区域的某些点的震动就增强了,有的区域就减弱了,这就导致干涉区域内震动的强度产生了空间分布。

如果你感到难以理解,没有关系,继续往下看。

为了证明光的干涉,即光是波,物理学家托马斯杨进行了干涉实验。假如我们将一根蜡烛放在一个小孔面前,那么照亮过去的时候会形成一个点的光源。但是如果在小孔后的一张纸张开两道平行的狭缝会发生什么事呢?

光透过小孔照射到后面的具有两条细缝的纸张上,投射到幕布上,会形成一些明暗交替的条纹。至此,光的波动学开始取代粒子学说。这个实验也成为了物理界最为著名的实验之一。

光的波粒二象性

但是光的波动性还有很多问题不能解决,爱因斯坦、普朗克等著名的科学家又将光的粒子特性搬上了历史的舞台,认为光具有波粒二象性,也就是说光既能够像波一样传播,又能表现出粒子的特性。

基本的干涉实验表现出光之间会产生干涉条纹,但是如果我们把光换成一个个电子会发生什么事情呢?此时我们可以把电子想象成一个玻璃球,按理来说,当电子要选择进入双缝中其中一边的时候,它应该做出了选择,所以实验的最后应该得出的是双缝。

但是实验的结果并不是这样的,使用电子进行的实验同样发现了电子自我干涉的痕迹。也就是说当一个电子要进入一个缝的时候它一分为二,然后与自己干涉,形成了干涉的纹路。

这个现象就让人非常地费解了。我们很难想象为什么一个电子在进入到双缝实验之前会将自己一分为二,还会产生干涉呢?

然后诡异的事情就发生了。

科学家很想知道电子在双缝选择的时候到底做了什么,然后就加了一个监控器,来对它们的行为进行观测。可怕的是,这些电子的行为和之前完全不一样,相互干涉的痕迹一点都找不到。

也就是说,当加入了一个观察者之后,电子间的干涉消失了,实验得出的最后结果是双缝。也就是说,当加入观察者之后电子表现出的行为才是人们理想的行为,但是在没有观测的时候它并不是这样子的。

为什么这小家伙还有两副面孔呢!

本来一个好好的实验,在科学家的不懈努力之下真的是让人细思恐极。为什么微观的粒子在人的观察下会展现出完全不同的行为?我们很难说粒子是有意识的,但是这究竟是为什么呢?

当然了,别说是我们了,就连科学家们都想破了脑袋也解释不了。所以,很多事物看起来很简单,但是其实它比我们想象中复杂得多。一些看似谬误的,却可能是真理。只能说,人类永远在突破自己认知的极限,今日的真理很可能就是明日的谬误。

这实验看得我怀疑人生。

小结:

如果一束光透过一个小孔,毫无疑问,光会从点放射出去投射在幕布上;如果有两个小孔,光波会相互干涉出现波纹。但是如果把小孔换成细缝,把光换成电子,会发生什么呢?如果我们把电子想象成玻璃小球的话,那么小球通过缝投射到幕布上应该也是两条缝的形状,但是电子和波一样,产生了干涉行为,也就是电子将自己一分为二进入两个缝中相互干涉,这本来就已经很难理解了。然后,当加入一个观察者时,电子竟然就不干涉了,结果就是两条缝。人傻了。

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因为双缝干涉实验揭示了,量子力学描述的自然从常识看是荒唐的,但却完全符合实验。这对人类认知世界,带来了颠覆性的冲击。就像费曼所说,可能自然本来就是荒唐的。

关于双缝干涉实验的具体操作这里就不解释了,之前有过详细的回答,这里主要简述一下实验的发展,以及量子力学对双缝干涉实验的两大主流解释。

双缝干涉实验发展简述

1807年,托马斯?杨发表了关于光的波动性论文,并给出了他1801年关于光实验的验证报告,这个实验就是大名鼎鼎的杨式双缝干涉。这个简单的实验让人直观感受到了光的波动特性。

随后,徳布罗意提出了物质波的概念,再次震惊世界,物质也是波?

20世纪20年代,戴维逊和革末通过研究电子束如何从镍晶体反射回来,发现了电子的干涉现象,证实了电子也是波,其实这里的镍晶体就充当了双缝的作用。

后来1961年,蒂宾根大学的物理学家克劳斯·约恩松以电子取代光进行了单电子双缝干涉实验,一样发现了干涉图样。

1974年,一个叫梅里的人又进行了单电子双缝干涉实验,为了搞懂电子到底是怎么通过的,就在双缝后面加了高灵敏的摄像头观察电子的运动,结果却更令人诧异了,一旦开摄像头观察电子,电子就不干涉了,一旦不观察电子,电子又开始干涉。

这就是大多数人觉得这是实验恐怖的原因所在,电子具有意识吗?它怎么知道我们在观察?带着这样的疑惑,不妨来看看正统量子物理学家们的解释。

薛定谔的波函数

为了解释单电子到底是通过的哪一条缝?大家只能接受薛定谔波函数所赋予每个通过电子的概率诠释。电子的概率波就像我们熟悉的水波一样,通过两条缝,然后干涉、叠加,在概率波叠加增强的地方,即电子最可能出现的地方形成明条纹,在概率波相消的地方留下暗条纹,成为最终的干涉图像。

但为什么会是概率?概率的物理意义是什么?电子到底是如何选择它的未来?没人知道,就像虽然几乎每个物理学家都知道怎么用量子理论来做精确的预言,但什么是量子力学却没人知道,没人能给出一个图景。

而费曼打破了这一现状,但他给出的量子图景,也彻底击碎了传统的常识。

费曼的图景

理查德·费曼有人说他是继爱因斯坦后,最伟大的物理学家。它发明了很多更简单直观理解物理学现象的方法。费曼的方法总是与众不同,传统观念的我们总是认为电子要么经过左边,要么经过右边,这是大家认为的事物运动的基本特征,但费曼认为这只是宏观世界中,我们理解的事物基本特征而已。

费曼认为,每个到达最后投影屏的电子实际上都是穿过了两条缝,而更准确地说,费曼认为实际上电子是同时经过了可能到达目的地的所有路径,电子甚至可以去遥远的仙女座绕个圈再通过缝隙到达投影屏,听起来很疯狂吧。

为了证明他的构思,费曼可以为电子的每条路径赋予一个数,而这些数的联合平均与波函数的计算结果完全一样。在费曼的图景中,不需要为电子定义一个额外的概率,但我们又需要去理解另一个奇怪概念,即电子达到目的地的几率由一个所有可能路径的联合效应来决定,这就是费曼的“路径求和”方法即他的路径积分理论

对量子来说,费曼的路径法则说明,所有的不同路劲都可以影响量子的运动。就像双缝干涉实验里,通过双缝所有可能的路径在我们看不见的情况相互干涉,产生了我们所能看见的干涉图像。我们不能判断电子到底走那条路,因为事实是,电子从两条缝通过。

这就是微观世界的法则,“我即空间,空间即我”

总结

虽然微观世界显得不可理喻,但在宏观的尺度下,事物最终还是会回到我们所熟悉的普通状态。就像费曼的“路径求和”的解释一样,当量子们不断累积为宏观物质时,它们能走的所有路径将在求和时彼此抵消,最终只能留下一条宏观现实下的路径,就是我们熟悉的牛顿定律下的轨道。

就好像世界的底层逻辑是荒谬的,只有当这些荒谬的个体错综复杂地交织在一起,才能抵消彼此的荒谬。这似乎意味着世界根本没有一条底层的绝对真理,但却有一套消除不稳定、不和谐的自洽方法,所有的物理规则都只是建立在这套方法之后的最终自洽结果而已。

双缝干涉实验,其实就是科学家们用来证明光有波动性的一个实验。

就这么一个简简单单的光学实验,又不是搞核试验,有啥好恐怖的?

但它的确是恐怖的,可以颠覆了科学家们的三观!为什么这么说呢?

先来解释下什么是双缝干涉实验。简单来说,光就像水波一样,如下图,当光线通过两道缝隙后,就会在后面的背板上产生亮暗相间的干涉条纹。

具体的原因如下图:跟所有波一样,当光波波峰与波谷抵消,波峰与波峰,产生了干涉图样。所以,光有波的属性。

后来,有科学家突发奇想,我如果把光子一个个发射出去,而不是一次性全撒出去,因为这样光子间就不会再互相影响,从而就不会产生图一的干涉图样呢?

但是,试验很快打了他的脸,即便一个一个的发射,干涉图样还是出现了,就好像一个光子可以同时穿过两条缝隙,进而自己对自己产生干涉一样。

诡异!一时间,没有人能解释这一不可思议现象?

但更恐怖的还在后面。

后来有个叫梅里的科学家们说,你们呀,图样图森破,装个摄像机,记录下粒子的运动轨迹不就行了。

但就因为加了个摄像机,更加可怕的事情发生了。

当他试图用摄像机去观察粒子的运动轨迹时,这些粒子一个个的就像有智慧一样,仿佛知道有人在看它们的表演,于是它们立刻停止表演,墙上的干涉条纹消失了。

梅里有点不敢相信,这尼玛不是扯吗?我竟然被小小的粒子耍了。他一开始是拒绝相信的,但是经过无数次的验证,他最终服了。

梅里向学界公开了这一让人“毛骨悚然”的新发现:粒子的行为竟然是由人的意识所决定的。

到如今,仍然没有人能给出板上钉钉的解释,这也让这一实验登顶“二十一世纪初科学界评选的令人头皮发炸的十大实验”之首。

在小说《三体》中,三体人用一颗小小的智子就封锁了地球人的科技,梅里的实验不禁让人想起了小说里的科幻桥段。

微观世界里,藏着颠覆所有人三观的秘密!

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双缝干涉实验顾名思义就是光通过两条平行的狭小缝隙后,投射在屏幕上的状态,看似简单无奇,可实验结果却像玄学的灵异事件令人惊悚莫名。

其实双缝干涉实验历史悠久,皆源于光的波动说与粒子说的百年争斗。光到底是粒子还是波?这曾是物理学界争论不休的话题。

所谓粒子,简单说就像一个个光滑的玻璃珠子。每当我们打开手电筒,无数光子就像子弹笔直的射向远方。

诸如牛顿、普朗克等许多著名科学家,都凭借权威实验确凿无疑证明光是粒子。

而所谓的波,简单说就像瓦片掷入水中产生的水波纹一样。如果把光看成波,那么衍射、偏振等光学现象就能完美解释了。

诸如惠斯顿、赫兹等许多著名科学家,也通过权威实验确凿无疑的证实光是波。

可是粒子与波是截然不同的东西。粒子可以分割成一个个最小单位,单个粒子不可再分,而波则是连续的能量分布。粒子皆是直线前行,而波则是同时向四方发射。粒子可以静止在某个固定位置,而波则必须呈动态在空间运动。

总之波与粒子之间存在不可调和的矛盾,由此波派与粒派争论不休,谁也不肯妥协。

18世纪,牛顿凭借其权威身份压制的波动说黯淡无光,直到1836年,英国科学家托马斯.杨发现光通过两条平行的狭小缝隙后,呈现明亮条纹与暗淡条纹相间的斑马线条纹。干涉衍射是波特有的性质,托马斯.杨的实验使波派逆势上扬,自此光到底是波还是粒子,成为物理学界核心议题。

直到1924年,有人如恍然大悟般提出也许粒子在某个时刻像波,而波也可能在某个时刻像粒子,那么光为何不能两者兼而有之呢?简单说就是光具有波粒二象性。

真理确实只有一个,可真理的表现形式也许有千万种,只不过人类始终属于盲人摸象各执一词的阶段罢了。光到底是粒子,还是波亦或波粒二象性,那么就要利用双缝干涉实验来验证了。

双缝干涉实验

科学家在一张纸板上开两条平行的细缝,用一把光子发射枪发射光子,然后观察光子通过细缝后,投射在探射屏上的光斑形状。

根据科学家推测,如果光是纯粒子,其他方向的光子都被纸板遮挡了,那么通过双缝的光子会直射到探射屏形成两道平行的两道杠。

如果光是纯波,那么光通过双缝后会形成两道波源进行干涉,波峰与波峰叠加形成明亮光条,波峰与波谷则互相抵消形成暗淡光条,投射在探射屏上就形成明暗相间的唯美的斑马条纹。

而如果光是波粒兼有,那么光通过双缝后,会出现两道杠与斑马线混杂状态。

简单说两道杠就是粒派胜出,斑马条纹就是波派胜出,两种状态混杂的四不像代表波粒二象性则属平局。

第一次实验光射枪发出光子通过双缝后,形成标准斑马线,明摆着波派大胜。

可粒派不服气,明明知道光是粒子,为何会出现斑马线呢?那么就一个一个光子发射,再重新做一次实验。

第二次实验,将光射枪调至点射状态,一个光子一个光子发射通过双缝,令人震惊的是当发射光子数量少时,探射屏上只有杂乱无章的光斑,可随着发射光子数量增加,探射屏上竟然出现了明暗相间的斑马线条纹。

这怎么可能呢?如果光真的只有波动性,粒派甘愿认输。可问题是,斑马线是通过双缝的两个波源互相干涉叠加而成。而一个光子不是通过左边缝隙直射,就是通过右边缝隙直射,它又是被谁干涉叠加呢?

难道光子遇到双缝会分裂成两半,同时通过双缝后,自己干涉自己吗?那么一不做二不休,继续做第三个实验弄清光子如何通过双缝。

第三次实验,在探射屏两边分别安装摄像头,同时依旧点射光子。如果那边的摄像头看到光子,就是光子通过那边细缝。

结果一边摄像头看到光子,另一边就看不到光子,并没有发现半个光子出现。那么光子就是粒子,只不过不知其通过双缝后,如何变成了两道波源形成了干涉条纹。也许这就是所谓的波粒二象性吗?

可诡异的事情发生了,探射屏上并没有出现预想的干涉条纹,而是出现了两道简单的杠。

见鬼了吗?全世界的科学家都懵头了。第二次与第三次实验的区别,只是第三次实验加了摄像头观察,难道没有摄像头观察,光就是波,有摄像头观察,光就是粒子吗?光是波还是粒子,难道由观察者是否看一眼决定吗?

于是有些脑洞清奇的聪明人,大胆推测光子是智能极高的外星Al机器人。当光射枪发射光子时,光子已经开始观察,如果发现有摄像头就表现出粒子状态,如果发现没有摄像头,只有屏幕,就表现出波的特性。

如此脑洞大开的推测,不但未遭到大量抨击,甚至科学家还要为此进行第四次实验佐证,可见全世界已经被双缝干涉实验弄晕了头。

灵异恐怖的双缝干涉延迟实验

第四次实验,事先未加摄像头,当科学家预估光子通过双缝时刻,并在其通过后,以迅雷不及掩耳之势加上摄像头,这与1978年惠勒的延迟选择实验类似。

实验结果是无论以多快速度加上摄像头,屏幕上都显示两道杠。反之即便事先有摄像头,哪怕最后一秒撤掉摄像头,屏幕就会出现明暗斑马线。

我们需要注意,光子经过双缝之后才决定是否加摄像头,也就是说光子通过双缝时,就已经确定了将以何种方式出现。那么光子通过双缝时已经定型,可实验却又为何在最后一刻变化呢?

难道光子真有高级智商?一个简单的实验使有关灵异甚或外星人的留言四起,科学家们崩溃般感觉到历经几百年时间构筑的理论体系已瞬间崩塌。

结语

其实托马斯.杨的实验并不恐怖,它是实证波动说的经典实验。而真正令人感觉恐怖反直观的则是属于量子力学范畴的双缝干涉延迟实验:一是光子一个一个打,也会出现干涉;二是只要观测光子通过哪条缝隙,干涉却消失了。这里就牵涉到了量子力学中的两个概念“态叠加”与“测量塌缩”。

简单说双缝干涉延迟实验并不恐怖,只是不易理解,它为我们打开了量子魔法大门。玻尔为此总结出了量子力学三大原理:态叠加原理(在量子世界,一切事物都能处于不同状态,各种可能性并存);测不准原理(叠加态无法精确测量);观察者原理(虽然任何事物都有多种可能性叠加,但我们无法看到一个即黑且白的量子物体,只要我们观察,必然看到一个确定无疑的结果)。

玻尔因完美解释了双缝干涉延迟实验一夜成名,却也四面树敌。按照玻尔说法,光子在观测瞬间,随机蜕变成多种可能性中一种,并将此过程命名为“塌缩”,可是“塌缩”到底经历怎样过程?玻尔自己也无法说清。

由此许多人抨击玻尔理论反直观,其中bug太多,而薛定谔用一只不死不活,又死又活的混沌之猫给了玻尔理论致命一击。

时至今日,虽然人类对量子力学有了进一步认知,量子通信卫星已经上天,可人类对量子世界所知还属皮毛。也许就像爱因斯坦所说:“我思考量子力学的时间百倍于广义相对论,却依旧想不明白。”,量子世界浩渺无边,我们所知渺如微尘,那些我们未知的世界就成了神秘玄学所在。

相对论和量子论是现代物理学的基础,但这两个跨时代的理论早在上世纪初就构建完毕了


20世纪初,物理学界对于光的波动学说和粒子学说已经争论了几百年了,爱因斯坦联合普朗克一起提出了光量子学说,认为光在传播过程中呈现波的形态,与物质相互作用时呈现粒子的形态,这种被称为“波粒二象性”的解释得到了物理学界的一致认同。

后来科学家们利用杨氏双缝实验,在点光源后面放一张拥有两条狭缝的纸,这时候点光源的光穿过狭缝就会变成一串明暗交替的条纹,这便是证明光量子学说的干涉条纹。

在证明光拥有波粒二象性之后科学家利用电子也进行了双缝实验,发现电子等微观粒子同样具有波粒二象性,再后来随着技术的进步,科学家们开始用仪器发射单个电子来进行双缝干涉实验,这时候发生了第一件怪事:

单电子双缝实验的结果竟然和之前的电子双缝干涉实验结果完全相同


之前的电子双缝干涉可以产生明暗交替的条纹,单个电子竟然也能产生干涉条纹,但仪器明明就只发出了一个电子,它能和谁干涉呢?这个结果就像是一个足球同时进了两个球门一样匪夷所思,科学家们下定决心要揭开单个电子干涉条纹的秘密,于是就有了更加匪夷所思甚至恐怖的“双缝干涉延迟实验”

延迟实验的精髓就在于记录电子在穿过双缝后的样子,由于只有单个电子,所以它穿越任何一条缝隙都能被直接看到,因此屏幕上的波态干涉条纹消失了,取而代之的是粒子态的痕迹,而一旦把记录电子轨迹的机器关闭,那么明暗条纹就会马上出现,一旦开启机器明暗条纹就会马上消失。

双缝干涉延迟实验表明:微观粒子的形态取决于人的观察,被观察的时候呈现出粒子的状态,不被观察时呈现波的状态,微观粒子就像有“生命”一样可以感觉到人类的存在,因此双缝干涉延迟实验才让很多人感到恐惧

用“恐怖”两字形容双缝干涉实验并不准确,更应该用“颠覆”或者“匪夷所思”来形容,因为实验的过程和结果都大大出乎了人们的意料,有悖于我们对现实世界的认知!

双缝干涉实验到底说明了什么?

简单来说,就是一个电子可以同时穿过两条缝隙,这足以让人震惊,但更震惊的还在后面,一旦我们观察(不一定是用眼睛看)电子是如何同时穿过两条缝隙时,却发现它只穿过一天缝隙!

这意味着什么?意味着我们的观测行为可以影响到电子的运动方式,电子仿佛知道我们有没有观测它!

而我们的观测行为是什么呢?有些科学家会用“意识”描述这行观测行为,也就是说意识可以影响物质的运动方式!

当然,也有些科学家试图用平行宇宙的概念来就是双缝干涉实验,认为电子本身会处于两个不同的宇宙,而当我们观测时,我们的观测使得电子的表现形式“坍缩”为其中的一种(穿过两条缝隙中的一条),而没观测时电子就同时穿过两条缝隙!

这就是双缝干涉实验最让人感到恐怖的地方!

截止目前,双缝干涉实验的诡异现象还没有得到完美解读,科学家们还需要继续努力!

你的了解呢?不妨说出来供大家参考!

双缝干涉实验,其实就是科学家们用来证明光有波动性的一个实验。微观粒子的形态取决于人的观察,被观察的时候呈现出粒子的状态,不被观察时呈现波的状态,微观粒子就像有“生命”一样可以感觉到人类的存在,因此双缝干涉延迟实验才让很多人感到恐惧。延迟实验很可怕的,不单单是因为观察者效应,更重要的是他所反应出来的是在微观世界里,果能改变因,就像未来能改变过去一样可怕。

本来的观察结果认为光具有波粒二象性,单独发射一个光粒子却可以神奇的自己对自己产生双缝干涉。就是说一颗光粒子却诡异同时通过了两条缝,可是更诡异的是如果这个实验过程被摄像机记录的话那么双缝干涉就不会产生,单独发射的光粒子每次都老老实实的通过对准的那一条缝。若是没有摄像机记录我就同时通过两条缝你说气人不?后来狡猾的人类又想了一个办法。开始先不打开摄像机等光粒子同时穿过两条缝,这时候双缝干涉已经形成再打开摄像机,这次你跑不掉了吧。吓着科学家的事情这时候真正发生了,本来已经产生的双缝干涉突然消失了,光粒子又神奇的变成了只通过一条缝。这简直逆天了,等于说已经发生的事实被摄像机一记录结局突然被改写。时空顺序在这一刻已经错乱,刚刚发生在眼前的历史事件结果居然被观察改变掉了,这真的让人无法接受。

20世纪初,物理学界对于光的波动学说和粒子学说已经争论了几百年了,爱因斯坦联合普朗克一起提出了光量子学说,人们开始意识到光同时具有波动性和粒子性的双重性质,也就是说光在传播过程中呈现波的形态,与物质相互作用时呈现粒子形态,这种被称为“波粒二象性”的解释得到了物理学界的一致认同。

后来科学家们利用杨氏双缝实验,在点光源后面放一张拥有两条狭缝的纸,这时候点光源的光穿过狭缝就会变成一串明暗交替的条纹,这便是证明光量子学说的干涉条纹。

在证明光拥有波粒二象性之后科学家利用电子也进行了双缝实验,发现电子等微观粒子同样具有波粒二象性,随着技术的进步,科学家们开始用仪器发射单个电子来进行双缝干涉实验,这时候发生了第一件怪事:单电子双缝实验的结果竟然和之前的电子双缝干涉实验结果完全相同。

之前的电子双缝干涉可以产生明暗交替的条纹,单个电子竟然也能产生干涉条纹,但仪器明明就只发出了一个电子,它能和谁干涉呢?这个结果就像是一个足球同时进了两个球门一样匪夷所思,科学家们下定决心要揭开单个电子干涉条纹的秘密,于是就有了更加匪夷所思甚至恐怖的“双缝干涉延迟实验”。延迟实验的精髓就在于记录电子在穿过双缝后的样子,由于只有单个电子,所以它穿越任何一条缝隙都能被直接看到,因此屏幕上的波态干涉条纹消失了,取而代之的是粒子态的痕迹,而一旦把记录电子轨迹的机器关闭,那么明暗条纹就会马上出现,一旦开启机器明暗条纹就会马上消失。

后来,有科学家突发奇想,我如果把光子一个个发射出去,而不是一次性全撒出去,因为这样光子间就不会再互相影响,从而就不会产生图一的干涉图样呢?但是,试验很快打了他的脸,即便一个一个的发射,干涉图样还是出现了,就好像一个光子可以同时穿过两条缝隙,进而自己对自己产生干涉一样。

当他试图用摄像机去观察粒子的运动轨迹时,这些粒子一个个的就像有智慧一样,仿佛知道有人在看它们的表演,于是它们立刻停止表演,墙上的干涉条纹消失了。梅里有点不敢相信,这不是扯吗?我竟然被小小的粒子耍了。他一开始是拒绝相信的,但是经过无数次的验证,他最终服了。梅里向学界公开了这一让人“毛骨悚然”的新发现:粒子的行为竟然是由人的意识所决定的。

这个实验就是说光具有波粒二象性,当你不观测时,它是波,会产生干涉条纹,当你观测它时,它又变成了粒子,没有干涉条纹!光到底呈现什么特性,取决于你是不是在观测它!实验非常诡异,就仿佛一个个的光子都有意识!知道有人在研究它,不让你深入研究!

我是这样认为的:由于光的速度极快可以穿越时空,因此它在可以同时存在于平行时空中,同时穿越两条缝形成干涉。而一旦进行观察,只能剩余一种穿越方式,其余平行时空消失。因此,意识能够决定平行时空的开启或关闭。空即是色,色即是彩!好比说我现在决定从床上起来,那么我躺在床上的其余平行时空都将被关闭。综上所述,光的干涉,是光的速度能够为我们展示所有平行空间,若加以观测就是我们选定了其中的一个平行空间。一点拙见,欢迎批评!

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