雙縫幹涉實驗顧名思義就是光通過兩條平行的狹小縫隙後,投射在屏幕上的狀態,看似簡單無奇,可實驗結果卻像玄學的靈異事件令人驚悚莫名。
其實雙縫幹涉實驗歷史悠久,皆源於光的波動說與粒子說的百年爭鬥。光到底是粒子還是波?這曾是物理學界爭論不休的話題。
所謂粒子,簡單說就像一個個光滑的玻璃珠子。每當我們打開手電筒,無數光子就像子彈筆直的射向遠方。
諸如牛頓、普朗克等許多著名科學家,都憑藉權威實驗確鑿無疑證明光是粒子。
而所謂的波,簡單說就像瓦片擲入水中產生的水波紋一樣。如果把光看成波,那麼衍射、偏振等光學現象就能完美解釋了。
諸如惠斯頓、赫茲等許多著名科學家,也通過權威實驗確鑿無疑的證實光是波。
可是粒子與波是截然不同的東西。粒子可以分割成一個個最小單位,單個粒子不可再分,而波則是連續的能量分布。粒子皆是直線前行,而波則是同時向四方發射。粒子可以靜止在某個固定位置,而波則必須呈動態在空間運動。
總之波與粒子之間存在不可調和的矛盾,由此波派與粒派爭論不休,誰也不肯妥協。
18世紀,牛頓憑藉其權威身份壓制的波動說黯淡無光,直到1836年,英國科學家託馬斯.楊發現光通過兩條平行的狹小縫隙後,呈現明亮條紋與暗淡條紋相間的斑馬線條紋。幹涉衍射是波特有的性質,託馬斯.楊的實驗使波派逆勢上揚,自此光到底是波還是粒子,成為物理學界核心議題。
直到1924年,有人如恍然大悟般提出也許粒子在某個時刻像波,而波也可能在某個時刻像粒子,那麼光為何不能兩者兼而有之呢?簡單說就是光具有波粒二象性。
真理確實只有一個,可真理的表現形式也許有千萬種,只不過人類始終屬於盲人摸象各執一詞的階段罷了。
光到底是粒子,還是波亦或波粒二象性,那麼就要利用雙縫幹涉實驗來驗證了。
雙縫幹涉實驗
科學家在一張紙板上開兩條平行的細縫,用一把光子發射槍發射光子,然後觀察光子通過細縫後,投射在探射屏上的光斑形狀。
根據科學家推測,如果光是純粒子,其他方向的光子都被紙板遮擋了,那麼通過雙縫的光子會直射到探射屏形成兩道平行的兩道槓。
如果光是純波,那麼光通過雙縫後會形成兩道波源進行幹涉,波峰與波峰疊加形成明亮光條,波峰與波谷則互相抵消形成暗淡光條,投射在探射屏上就形成明暗相間的唯美的斑馬條紋。
而如果光是波粒兼有,那麼光通過雙縫後,會出現兩道槓與斑馬線混雜狀態。
簡單說兩道槓就是粒派勝出,斑馬條紋就是波派勝出,兩種狀態混雜的四不像代表波粒二象性則屬平局。
第一次實驗光射槍發出光子通過雙縫後,形成標準斑馬線,明擺著波派大勝。
可粒派不服氣,明明知道光是粒子,為何會出現斑馬線呢?那麼就一個一個光子發射,再重新做一次實驗。
第二次實驗,將光射槍調至點射狀態,一個光子一個光子發射通過雙縫,令人震驚的是當發射光子數量少時,探射屏上只有雜亂無章的光斑,可隨著發射光子數量增加,探射屏上竟然出現了明暗相間的斑馬線條紋。這怎麼可能呢?
如果光真的只有波動性,粒派甘願認輸。可問題是,斑馬線是通過雙縫的兩個波源互相干涉疊加而成。而一個光子不是通過左邊縫隙直射,就是通過右邊縫隙直射,它又是被誰幹涉疊加呢?
難道光子遇到雙縫會分裂成兩半,同時通過雙縫後,自己幹涉自己嗎?那麼一不做二不休,繼續做第三個實驗弄清光子如何通過雙縫。
第三次實驗,在探射屏兩邊分別安裝攝像頭,同時依舊點射光子。如果那邊的攝像頭看到光子,就是光子通過那邊細縫。結果一邊攝像頭看到光子,另一邊就看不到光子,並沒有發現半個光子出現。
那麼光子就是粒子,只不過不知其通過雙縫後,如何變成了兩道波源形成了幹涉條紋。也許這就是所謂的波粒二象性嗎?
可詭異的事情發生了,探射屏上並沒有出現預想的幹涉條紋,而是出現了兩道簡單的槓。
見鬼了嗎?全世界的科學家都懵頭了。第二次與第三次實驗的區別,只是第三次實驗加了攝像頭觀察,難道沒有攝像頭觀察,光就是波,有攝像頭觀察,光就是粒子嗎?光是波還是粒子,難道由觀察者是否看一眼決定嗎?
於是有些腦洞清奇的聰明人,大膽推測光子是智能極高的外星Al機器人。當光射槍發射光子時,光子已經開始觀察,如果發現有攝像頭就表現出粒子狀態,如果發現沒有攝像頭,只有屏幕,就表現出波的特性。
如此腦洞大開的推測,不但未遭到大量抨擊,甚至科學家還要為此進行第四次實驗佐證,可見全世界已經被雙縫幹涉實驗弄暈了頭。
靈異恐怖的雙縫幹涉延遲
實驗第四次實驗,事先未加攝像頭,當科學家預估光子通過雙縫時刻,並在其通過後,以迅雷不及掩耳之勢加上攝像頭,這與1978年惠勒的延遲選擇實驗類似。
實驗結果是無論以多快速度加上攝像頭,屏幕上都顯示兩道槓。反之即便事先有攝像頭,哪怕最後一秒撤掉攝像頭,屏幕就會出現明暗斑馬線。
我們需要注意,光子經過雙縫之後才決定是否加攝像頭,也就是說光子通過雙縫時,就已經確定了將以何種方式出現。那麼光子通過雙縫時已經定型,可實驗卻又為何在最後一刻變化呢?
難道光子真有高級智商?一個簡單的實驗使有關靈異甚或外星人的留言四起,科學家們崩潰般感覺到歷經幾百年時間構築的理論體系已瞬間崩塌。
結語
其實託馬斯.楊的實驗並不恐怖,它是實證波動說的經典實驗。而真正令人感覺恐怖反直觀的則是屬於量子力學範疇的雙縫幹涉延遲實驗:一是光子一個一個打,也會出現幹涉;二是只要觀測光子通過哪條縫隙,幹涉卻消失了。這裡就牽涉到了量子力學中的兩個概念「態疊加」與「測量塌縮」。
簡單說雙縫幹涉延遲實驗並不恐怖,只是不易理解,它為我們打開了量子魔法大門。玻爾為此總結出了量子力學三大原理:態疊加原理(在量子世界,一切事物都能處於不同狀態,各種可能性並存);測不準原理(疊加態無法精確測量);觀察者原理(雖然任何事物都有多種可能性疊加,但我們無法看到一個即黑且白的量子物體,只要我們觀察,必然看到一個確定無疑的結果)。
玻爾因完美解釋了雙縫幹涉延遲實驗一夜成名,卻也四面樹敵。按照玻爾說法,光子在觀測瞬間,隨機蛻變成多種可能性中一種,並將此過程命名為「塌縮」,可是「塌縮」到底經歷怎樣過程?玻爾自己也無法說清。
由此許多人抨擊玻爾理論反直觀,其中bug太多,而薛丁格用一隻不死不活,又死又活的混沌之貓給了玻爾理論致命一擊。
時至今日,雖然人類對量子力學有了進一步認知,量子通信衛星已經上天,可人類對量子世界所知還屬皮毛。也許就像愛因斯坦所說:「我思考量子力學的時間百倍於廣義相對論,卻依舊想不明白。」,量子世界浩渺無邊,我們所知渺如微塵,那些我們未知的世界就成了神秘玄學所在。