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双缝干涉实验,为什么颠覆了我们对宇宙的认知?

一个简单的高中实验,揭示了一个无法解释的诡异现象

我们在高中的时候曾经学过一个实验,名字叫做双缝实验,我们准备一个蜡烛,在蜡烛后面放置一块只有一条长缝隙的挡板,然后在后面放置一块有两条长缝隙的挡板,最后再放置一块黑色屏幕,屏幕上会产生明暗条纹。

这个实验是托马斯·杨所提出来的,他证实了光纤通过平行且距离很小的两个小孔,通过两小孔频率相同的光会发生互相影响投射出明暗相间的图案,第一个挡板的作用是让蜡烛发出的光先衍射,变成一束稳定的相干光源,这样可以排除干扰,能更清晰地观察到试验结果,第二块挡板的作用是让相干光变成同样的两列光源,这两列光源发生干涉,相位相同效果就加强,相位有差就抵消。

在这个实验中托马斯·杨提出了干涉这个名词,杨氏双缝实验也被称为光的干涉现象。

这个实验在当时造成了极大的轰动,最终导致托马斯·杨被学术界封杀,转而研究历史,因为在当时,牛顿的微粒说占据了学术界主流,被科学家奉为圣经。

什么是微粒说呢?牛顿在法国数学家皮埃尔·伽森荻提出的物体是由大量坚硬粒子组成的基础上,根据光的直线传播规律、光的偏振现象,最终于 1675 年提出假设,认为光是从光源发出的一种物质微粒,在均匀媒质中以一定的速度传播。微粒说由此产生。

但是托马斯·杨的实验却证实了光的波动理论,光的波动说认为光是以波的形式在运动。微粒说和波动说在此后的数百年时间里一直在争论不休。

20世纪初,随着科学家对世界的研究从宏观到微观,德布罗意在 1924 年提出了“物质波”假说,认为和光一样,一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说,电子也会具有干涉和衍射等波动现象。

1927 年,C . J . 戴维孙和 L . H . 革末在观察镍单晶表面对能量为 100 电子伏的电子束进行散射时,发现了散射束强度随空间分布的不连续性,即晶体对电子的衍射现象。几乎与此同时,G . P. 汤姆孙和A.里德用能量为2万电子伏的电子束透过多晶薄膜做实验时,也观察到衍射图样。电子衍射的发现证实了 L. V . 德布罗意提出的电子具有波动性的设想,从而证实了一切物质都具有波粒二象性。

这个时候双缝实验也从宏观变成了微观,变成了电子双缝实验,可以说直接颠覆了整个世界的认知。

我来和大家梳理一下背景,双缝实验是指光通过木板的狭缝从而射在屏幕上,而深入到微观领域,那就变成了电子双缝实验,光子是以波的形式运动,由于存在干涉,穿过双缝后会出现一道道痕迹。(电子和光子都属于基本粒子)

不同数量的电子通过双缝后在胶片上出现的干涉图样

但即使是一个个光子发射,也同样会发生干涉现象,条纹清晰地出现在屏幕上,这究竟是发生了什么事情。

哥本哈根解学派掌门人玻尔的解释是:“我们无需去关心它“本来”是什么,也无需担心大自然“本来”是什么,我只关心我们能“观测”到大自然是什么。电子又是粒子又是波,但每次我们观察它,它只展现出其中一面,这里的关键是我们“如何”观察它,而不是它“究竟”是什么。”

这段话的意思就是:它既是一个粒子,同时也是一个波!你观察的角度不同,那么你看到的东西也就不同。。

但是爱因斯坦却表示了反对态度,单个电子怎么可能通过两条缝隙,难道电子会分身术吗?因为两条缝隙的距离虽然非常小(10∧-9米),但是对于电子来说,这个距离是电子身高的270亿倍。

后来科学家发现,单个光子并没有同时穿过双缝,而是只通过了其中一个缝,这表明此时的电子是以粒子的形态穿过去的,粒子一颗一颗打在屏幕上形成一条长光纹。那么光子究竟是怎么样做到的!这个问题不断困扰着所有人!:

如果我们根据电子的速度,当确定它已经通过双缝之后,迅速的在后面的板上放上摄像机,会出现什么情况?

结果是当我们在确定电子已经通过双缝后,迅速的在后面的板上放上摄像机的结果是—没有干涉条纹,无论实验人员如何努力,干涉条纹都不再出现!

反之亦然,如果迅速的拿掉摄像机,又会出现干涉条纹,即便我们在决定拿掉摄像机的时候,电子已经通过了双缝!

也就是说无论单个电子有没有通过双缝,只要我们一旦产生想观测的想法并产生了这个行为,那么就不会产生干涉,条纹也就不会出现。

究竟是摄像机,影响了电子的行为,还是人类的意识,影响了电子的行为呢?也或者真的是有造物主的存在,它设定好了一个既定的运行法则,不允许任何人窥探,也不容任何人打破,而人类的想法一旦产生,过去就会发生改变,从而修正最终的结果!

后来约翰·惠勒提出了一个相当令人吃惊的构想,也就是所谓的“延迟双缝干涉实验”,延迟实验的原理相当于把探测器移到了挡板和屏幕之间,让粒子先做出选择然后再观察。

例如当单个光子通过挡板后,瞬间开启探测器,这时单个光子通过两条缝已经成为了事实,我们再观察它的运动路径发现它只通过了一条缝,并且这时干涉条纹消失,只剩下一个亮点,这就相当于将因果关系颠倒了!

想了解具体完整实验的可以去看视频

你的观察令波函数坍塌,在量子力学的世界里,现在做的事情,可以改变历史上已经发生的事情。

科学家最后还把这个实验上升到了宇宙角度,科学家观察到,数百万光年以外的某个恒星,它在向地球方向发出光子,而它中间会经历一个质量巨大的星系,根据爱因斯坦相对论,这个星系将导致空间膨胀进而使光线弯曲,这个星系实际上相当于一个巨大的分光镜,将光子分成上下两条路径。

而在最右侧地球上的我们,设置两个望远镜分别对准上下两条光线通路,那么每个望远镜将观察到作为粒子性质的光子,不会发生干涉图案,因为光子或者从上面绕过来,或者从下面绕过来。

科学家提出,用望远镜、光导纤维等工具,把两条路上的光子引诱到延迟实验装置,从而完成星际版延迟双缝干涉实验!

然而这个时候,每个望远镜观察到作为粒子性质的光子,并不会发生干涉图案,因为光子或者从上面绕过来,或者从下面绕过来。

而如果我们改用分光器把上下两个方向来的光线合并,我们却可以再次得到光子自身的衍射图案,从理论上来说这是不可能的。作为粒子一路旅行过来的光子是无法产生衍射图案的,必须是波才行。

要知道,它们在数百万年就已经出发,它们的旅程早已在出发前就已经被决定,也就说,当人类决定观察它们的时候,它们在数百万年前决定好的旅程路线就发生了变化!

这种诡异的现象仿佛光子是有生命的,被人发现了就变成粒子态,没被发现就偷偷变成波态,完全颠覆了认知。

目前来说,还没有哪个科学家能够对此作出完美的解释,惠勒后来引玻尔的话说,“任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象”,我们是在光子上路之前还是途中来做出决定,这在量子实验中是没有区别的。历史不是确定和实在的——除非它已经被记录下来。更精确地说,光子在通过第一块透镜到我们插入第二块透镜这之间“到底”在哪里,是个什么,是一个无意义的问题,我们没有权利去谈论它,它不是一个“客观真实”!惠勒用那幅著名的“龙图”来说明这一点,龙的头和尾巴(输入输出)都是确定的清晰的,但它的身体(路径)却是一团迷雾,没有人可以说清。

然而惠勒的解释依然没有拨开这个实验所笼罩的迷雾,宇宙还存在着太多的未知等待着我们去探寻谜底。

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