科學探索之雙縫干涉實驗所揭示的宇宙祕密

要想看看量子論的詭異之處,最經典的莫過於電子或者光子的雙縫干涉實驗了,由托馬斯·楊設計的這個實驗,本意在檢驗光的波動性,卻沒想到成為了科學史上最經典的物理實驗之一,將科學史上關於光的本質研究的波動-粒子之戰推向了高潮。

科學探索之雙縫干涉實驗所揭示的宇宙秘密

為簡單起見,我們只討論電子的雙縫干涉實驗。具體的實驗環境可能不是圖中那樣簡單,但這無妨對其原理的探討。

當人們將一束電子經過雙縫打到顯示屏上時,人們在想:一堆小球打過去,就像我們踢足球一樣,在牆上會形成兩道條紋吧。可是,實驗結果卻顯示,形成的是像光波一樣的干涉條紋!

這是怎麼回事呢?我們打過去的不是一堆小球嗎?為什麼會像波一樣發生干涉呢?

這時,人們猜想,會不會是大量電子互相作用才造成這樣的呢?它們你擠我,我擠你的,確實有可能造成干擾,雖然不一定形成干涉條紋,但還是應該把這種可能性排除掉。於是,人們改進了實驗裝置,這次,他們一個個地發射電子,看看電子們到底幹了些什麼奇怪的事情。

實驗持續了一段時間。當越來越多的電子被打過去時,人們才真正發現電子干涉條紋是怎麼形成的了。原來,當一個電子被打過去時,屏幕上只出現一個亮點,更多的電子過去,就有更多的亮點出現。初看起來,這些點雜亂無章,而隨著時間的推移,人們才逐漸發現:大量的電子形成的大量的點逐步組成了干涉條紋!原來是這樣!電子們好像遵循著一種默契,共同完成了這項艱鉅的任務!怎麼會這樣?

科學探索之雙縫干涉實驗所揭示的宇宙秘密

一個電子是如何“知道”它應該出現在什麼地方的呢?它是自己和自己發生了干涉嗎?在自我干涉後,它又是如何變為了一個小點呢?在通過雙縫的運動規程中,它到底通過了哪條縫呢?

這些問題不斷困擾著人們。於是,聰明的科學家們想出了一個辦法,他們要窺探電子的動向,他們在兩個縫都安裝了檢測儀器,人們要看看電子到底從哪條縫通過了。我們要監視它,來看看它在中間這段路程上偷偷幹了些什麼事情。

然而,量子世界的奇異卻超出人們的想象,當人們去監測它到底通過了哪條縫時,電子倒是確實老老實實地從某一個縫過去了。可是,這同時,干涉條紋也消失了!屏幕上出現的是兩條經典亮條紋!電子就好像是提前知道了我們的意圖,估計和我們作對,難道電子是一種有意識的存在?

科學探索之雙縫干涉實驗所揭示的宇宙秘密

人們被這樣的實驗結果迷惑不已。如何理解這樣的現象呢?

量子論的奠基人之一波恩對此作出瞭解釋:電子和光一樣,是具有波粒二象性的,實際上所有的微觀粒子都是如此。根據薛定諤的波動方程,波恩創造了著名的概率解釋:當我們不去觀測的時候,電子就是一團波,它無處不在,又無處可在,量子論稱這波為概率波,也就是說,它有一定的概率出現在什麼地方。在通過雙縫時,這概率波進行了自我干涉,以決定電子有可能在顯示屏上打到什麼位置。然後,當電子到達顯示屏,我們要對它進行觀測時,電子就必須現形了,它必須出現在一個位置!於是,它按照那個概率分佈,在某個位置化作了一個亮點,出現在我們眼前。雖然一個電子的出現是隨機的,但大量電子卻是符合概率分佈的,於是,當大量電子出現的時候,便形成了干涉條紋。這就像扔一萬次硬幣基本是五千次朝上五千次朝下一樣,扔得越多,越趨向於1:1的概率。量子論稱由概率分佈到一個點的這個過程為“坍縮”,而一次觀測行為將導致坍縮。

這是不是太奇怪了?微觀世界為什麼和我們的日常經驗格格不入?

科學探索之雙縫干涉實驗所揭示的宇宙秘密

當我們不觀察時,它處於一種疊加態,它無處不在。當我們觀察時,它就出現在了概率分佈的某一個位置。量子的疊加態正是這奇怪的根源!我們從未見過一個宏觀物體處於疊加態之中。一個人可能既在北京又在上海嗎?不可能,人沒有分身術。可是,一個粒子就可以,理論上來說,它確實有一定幾率既在你眼前,又遠在天邊。

這樣的解釋讓人們產生了很多質疑,也因此,量子論從誕生之日起就飽受爭議,被不斷地攻擊。就連量子論的創始人普朗克、薛定諤、愛因斯坦這樣偉大的科學家,也試圖找出它的漏洞,以從根本上將量子論顛覆掉。然而,一個個精確的實驗,卻一次次擊碎了人們的夢想。量子論逐漸成為了一個工具,人們覺得,好用就行了,幹嗎非要理解它呢?就像鴕鳥一樣,將頭埋在沙裡,不去看它吧。

然而,追尋真理的人們卻總不甘心,一直試圖找尋其背後的內涵。疊加、坍縮、意識、幽靈般的超距作用,種種怪象困惑著我們,但也令我們興奮不已,讓我們思考宇宙的終極奧秘。多宇宙、隱變量、多歷史、自發定域,種種解釋也沒能徹底推翻量子論,從實驗和原理角度將其證偽。或者,難道我們眼前的一切都是幻想,如黑客帝國般,是人工智能或高級文明製造的虛擬世界?從理論上來說,也不是沒有這個可能。

雙縫干涉實驗引領人們發現了宇宙深藏的奧秘,而背後的哲學思考仍令我們迷惑不已,希望未來能夠有人解決這個難題。

科學探索之雙縫干涉實驗所揭示的宇宙秘密


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