为什么当年双缝干涉延迟实验让科学家感到恐怖?

蒲公英的约定数


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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艾伯史密斯


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?


文子说科技


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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科学重口味


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!


宇宙探索


可能是因为曾经被解读为现在可以改变过去吧。

早期对这个实验的解读是挺诡异的,比如量子力学的著名科普书《上帝掷骰子吗?——量子物理史话》里作者就写过,似乎当光子经过第一组半透镜后,在到达屏幕前是否插入第二篇半透镜会导致光子经过第一组透镜的方式改变。这相当于说光子可以在你决定怎么测量以后才决定它之前怎么走。这种解释确实是挺诡异的。

但实际上现在对这个实验有了新的解读,光子并不是在你确定测量方法时才确定以什么形式通过路径,而是一直以波的形式同时通过两个路径,直到到达屏幕完成测量它才随机坍缩成粒子,而你将能在哪个屏幕看到它由你是否插入第二块半透镜决定。

在这种解释里不需要光子改变过去的行为,也就没有什么诡异的了,自然也没什么恐怖了。做个好梦。


星宇飘零2099


题目在介绍中说,“人的观察能够影响结果”这并不醉,这是事实。在当时的双缝干涉实验中,当一束光通过双缝之后会在后面的屏幕上出现明显的明暗相间的干涉条纹,这个现象让物理学家很不解,倘若光是由经典粒子构成,那么后面呈现出的就是双缝而不应该是明暗相间的多条条纹,这说明光是一种波,因为干涉是光的特性。

1905年,爱因斯坦提出了光电效应的解释,认为光也是一种粒子,叫光子,这时候人们开始意识到光既是波又是粒子了。

后来一次实验将入射光的强度降到最低,保证在每个时刻内只有一个光子通过双缝,但即便是这样,后面的屏幕在累积一定时间后还是会出现干涉条纹。科学家想搞明白单个光子到底通过了哪条路径,于是安装了监测器,但是安好之后,干涉条纹消失,拆下去之后,干涉条纹又回来了,这表明,人的观测确实会影响结果。

什么是延迟实验呢?

这是约翰惠勒提出的实验,简单的理解就是现在可以决定或改变过去发生的事情,这就说明在量子的世界中只有被确定下来的才是一种现象,因为它随时都有可能因为人的有意识的观测而改变其结果。

个人的浅见,欢迎大家评论哟!!!


科学船坞


之所以说电子双缝干涉实验令人“毛骨悚然”,是因为电子双缝干涉实验中出现的奇怪现象彻底颠覆了人类以往的认知。在我们传统的观念中,物质的运动是不以人的意志为转移的,换句话说,某件无意识不自主的事情,不管人是否在观察,该发生还是会发生,不会因为人的观察而影响到它,但在电子双缝干涉实验的过程中,这个观念被打破了。实验现象是,人们对电子的观察与不观察,影响到了电子的运动,换句话说,人的主观意识影响到了物质的运动。

可能有些人不以为然,但仔细想一下就会觉得太不可思议了。就好像冥冥之中有一个你看不到摸不着但又确确实实存在的事物在监视着你,并根据你的主观所想去主动改变这个世界。再想下去,都要对这个世界的真实性产生怀疑了。

先给大家说一下这个电子双缝干涉实验吧。其实最初的双缝干涉实验室用光做的:将一束平行的单色的光照射到两条平行的距离很近的细缝上,在后面的挡板上会出现一条一条明暗的条纹,这就是双缝干涉实验。光的双缝干涉实验从侧面佐证了光是一种波。但后来物理学家约恩松突发奇想,用电子做了双缝干涉实验,这本来也没有什么,但实验结果却是出乎意料,电子竟然呈现了和光一样的特性!也就是说电子也是一种波!

由于德布罗意提出的物质波理论,科学家们只能认为电子也具有波粒二象性,这个解释看似十分完美,但所有人都不知道,真正的大招还憋在后面。

到了1974年,某位大学教授对这个实验有了更深的疑问,于是他重新做了这个实验,并在两条细缝两边加装了精度极高的监视器,重新开始实验,这一次出来的结果吓坏了许多人:每个电子都看的清清楚楚,后面的挡板上整整齐齐两条亮纹,双缝干涉消失了... ...

这位教授不信这个邪,他关掉了监视器,这时双缝干涉又奇迹般地出现了,但是当他重新开始监测的时候,双缝干涉又消失了,只能看到一个又一个电子穿过双缝,形成两条亮纹... ...

说到这儿,大家就明白了为什么这个实验如此的“毛骨悚然”了吧,因为在这个实验中,好像有未知的存在在操纵电子一样,就是不让人看到电子干涉那一瞬间发生的事情,这个影响因素就是人的意识,这个在物理学中最不应该存在的词汇。目前的电子双缝实验能够得出来的结论是:你看到干涉图谱,你可以认为电子是波,但当你认为它是粒子的时候,它就是粒子。而或许,真实的情况是... ...


张家小智儿


世界上最恐怖的事情是未知。比如,黑暗就是一件比较可怕的事情,因为不知道前方有什么东西在等待着我们。

如果在古代,我们现在常用的手机📱、电视机📺和汽车🚗等都会吓着古人的,因为他们不理解上述这些现代产品的工作原理。

此外,人类还会自己吓着自己。因为,对某一现象的解释是多种多样的。其中,最为简单的解释,就是将各种稀奇古怪的事情归结为事物内在的属性。这实际上阻断了人们继续探究的努力。比如,在古代或在落后的农村盛行鬼神的传说,都是缘于遇到了未解之谜。

至于双缝干涉实验也是如此,我们既可以将干涉现象简单地归结为电子内在的属性,也可以将该现象归结为外在物理背景的不连续性。

比如,细小的花粉在水中的无规运动,既可以认为该花粉在水中灵魂附体,也可以由此断定水是不连续的,是由离散的水分子构成的。

至于延迟的干涉实验,也有两种不同的解释。如果坚持认为观测会使叠加态塌陷,从而阻断了电子的波动性,那么在电子通过窄缝的前后观测是有很大区别的。然而,现实情况却是相反的,并没有发生不同的变化。于是,吓到了自己,认为时间是可以倒流的。

反之,如果理性分析的话,上述现象说明电子的波动与否,与观测电子并没有直接的关系。只是为了观测电子的行为,我们将电子发射的密度降低了。

如果电子与不连续的空间存在着相互作用的话,则电子的运动不仅会受到空间的波动,电子亦会对空间产生扰动,进而影响后面电子运动的行为,即产生干涉现象。

所以,电子干涉现象与电子发射的密度相关。这就好比在河上行驶的船只🚢,当航道运行繁忙时,不同的船只引起的水波会彼此影响,产生干涉现象,从而使船只发生剧烈的晃动。

总之,虽然人类的认识是有限的,还存在着许多未知的事情,但是我们可以根据认识的一些基本原则来选择我们的认识方向🧭。比如,关于鬼神的选择是必须予以放弃的,不能自己吓着自己,也不能因此而阻断我们进一步的认识。

为了避免这一情况的发生,我们应该持二维的认识观点,即任何物体的行为都是其自身的原因与外部环境的结合。比如,人的行为是其个人意志与社会环境共同决定的。

电子的外部环境就是由不可再分的最小粒子——量子构成的物理背景即量子空间。


淡漠乾坤


会不会是这样,虽然前一个光子已经打在了屏幕上。就好比往水里丢个石头,虽它已经沉到底了,但它在水里引起的波纹并不会马上消失。 1.如果第二个石头快速丢下去的大小、位置、和力量,和前一个完全相同的情况下,水面不会产生波纹互相干瑟的情况。(这就好比单缝实验) 2.如果第二个石头丢在别的位置,就会产生新的波纹,并且和前一个波纹产生互相干瑟的情况。(这就和双缝实验产生的波纹稳合 3.观测为什么会导致干瑟的波纹消失?这是我的猜测:观测设备的加入,大大吸收了前面一个光子发射后,残余的光波。导致后面一个光子发射时,前面一个光子的波已经塌缩,所以不会影响后面的波纹。


用户59411477208


很多量子现象与人类的一般认知大相径庭,例如,不确定性原理表明,粒子的位置和速度不可能被同时测量出来。而惠勒延迟选择实验更是诡异,这种现象似乎表明现在决定了过去,这与我们所知的因果律完全相反。

惠勒延迟选择实验其实是双缝实验的变形,而双缝实验本身就已经比较诡异了。如果让光通过双缝,那么,在接收屏上将会获得明暗相间的条纹。这很容易理解,因为光是一种波。

然而,如果把光子一个接一个的释放出来,让它们逐一穿过双缝,结果还会出现一样的干涉现象。根据量子力学的解释,光子自身似乎发生了干涉,每个光子似乎同时穿过了两条缝,光子仍然表现出波动性。

更让人瞠目结舌的是,如果在双缝旁边装上记录器,用于观测光子究竟是从哪条缝中穿过,结果干涉条纹消失了!接收屏上只会留下两条光路,它们是由光子穿过两条缝时所产生的。在这种情况下,光子表现出了粒子性。因此,观测行为改变了光子的行为。

而接下来要说的惠勒延迟选择实验就更让人觉得真实的世界或许没有那么简单。

如上图所示,有一光源发出的光会经过一块半透镜,该半透镜有一半的可能性让光子发生反射,还有一半的可能性让光子直接穿过。在反射和穿透的光路上各放置一块全反射镜A和B,使光子经过反射之后,两条光路交汇到C点。在光路后方,各放置一块接收器来观测光子走了哪条路径(AC或者BC)。显然,光子走AC路径和BC路径的可能性都是一样的,皆为50%。

如果在C点再放置一块半透镜,那么,走BC路径的光会发生干涉相消,而走AC路径的光会发生干涉相长,所以最后只有AC路径上的接收器会接收到光信号,而BC路径上的接收器不会接收到光信号。这意味着光子同时走了两条路径,光子自身与自身发生了干涉,这个现象类似于上述的双缝实验。

但如果在光子经过第一块半透镜和全反射镜之后,在C点放置一块半透镜,结果还是只有一块接收器能接收到光信号,这意味着放置第二块半透镜的行为改变了光子的最初所走路径。也就是说,现在的行为改变了过去,这与因果律完全相悖,因果关系完全被颠倒来过。在惠勒提出延迟选择实验之后几年,物理学家在实验室中证实了惠勒的这个思想实验。

从一系列“反常”的量子实验可以看出,我们所知的“现实”或许不是这个世界的本质,宇宙中还存在着更为深刻的基础规律有待我们去发现。只有揭开宇宙更深刻的本质,人类的文明才能获得突破性的发展。


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