「可怕的」雙縫幹涉實驗:世界還是你看到的那樣嗎?

2020-12-15 狐狸等魚

什麼是雙縫幹涉實驗?

在量子力學裡,雙縫實驗(double-slit experiment)是一種演示光子或電子等等微觀物體的波動性與粒子性的實驗。雙縫實驗是一種「雙路徑實驗」。

在這種更廣義的實驗裡,微觀物體可以同時通過兩條路徑或通過其中任意一條路徑,從初始點抵達最終點。這兩條路徑的程差促使描述微觀物體物理行為的量子態發生相移,因此產生幹涉現象。

「可怕的」雙縫幹涉實驗及其延伸

雙縫幹涉實驗

假若光束是由經典粒子組成,將光束照射於兩條相互平行的狹縫,則在探射屏應該會觀察到兩個單縫圖樣的總和。但實際並不是這樣,如下圖所示,在探射屏顯示出一系列明亮條紋與暗淡條紋相間的圖樣。

由於亮度分布可以用波的相長幹涉與相消幹涉這兩種幹涉機制來解釋,意味著光是一種振動波,這促使光波動說被廣泛接受,也導致17、18世紀的主流理論「光微粒說」漸趨式微。

單獨粒子的幹涉現象

隨著科技的快速進步,使用能夠發射單獨電子的物理儀器來進行雙縫實驗,每一次最多只有一個電子通過雙狹縫,而不是一大群電子在很短時間間隔內擠著要通過雙狹縫。值得注意的是,單獨電子似乎可以同時刻通過兩條狹縫,並且自己與自己幹涉!

這解釋並不符合平常觀察到的離散物體的物理行為,人們從未親眼目睹老虎在同時刻穿越過兩個並排的火圈,這並不是很容易從直覺就能夠贊同的結果。可是,從原子到更複雜的分子,包括巴基球,這些微觀粒子都會產生類似現象。

延遲實驗

更令人匪夷所思的還在後面,在1979年為紀念愛因斯坦誕辰100周年的討論會上,約翰·惠勒提出了「延遲實驗」的構想:對電子的雙縫幹涉進行了進一步思考,並指出我們可以「延遲」電子的決定,使得它在已經實際通過了雙縫屏幕之後,再來選擇究竟是通過了一條縫還是兩條。此種說法震驚當時的學術界。

眾多科學家紛紛進行實驗,結果是:在確定電子通過雙縫之後,迅速在擋板前放置高速攝像機時並沒有出現幹涉條紋;反之,在電子通過雙縫後,迅速移除高速攝像機,幹涉條紋還出現!這說明,「我」是否放置攝像機將影響電子以怎樣的方式通過雙縫。也就是說「我」現在的一個行為,竟然決定了電子過去的行為!

對此的解釋「哥本哈根詮釋」與「薛丁格的貓」

哥本哈根詮釋

除了光子的發射時間與抵達探測屏時間以外,在這兩個時間之間任何其它時間,光子的位置都無法被確定;為了要確定光子的位置,必須以某種方式探測它;可是,一旦探測到光子的位置,光子的量子態也會被改變,幹涉圖樣也因此會被影響。

所以,在發射時間與抵達探測屏時間之間,光子的位置完全不能被確定。

薛丁格的貓

設想在一個封閉的匣子裡,有一隻活貓及一瓶毒藥。當衰變發生時,藥瓶被打破,貓將被毒死。按照常識,貓可能死了也可能還活著。量子力學告訴我們,存在一個中間態,貓既不死也不活,直到進行觀察看看發生了什麼,可貓既活又死違背了邏輯思維。

儘管如此,長期以來物理學家們出於或許實用主義的考慮,還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價:違反了薛丁格方程。

背後的意義

這樣稀奇古怪的事情說明了什麼呢?

這說明,宇宙的歷史,可以在它實際發生後才被決定究竟是怎樣發生的!在薛丁格的貓實驗裡,如果我們也能設計某種延遲實驗,我們就能在實驗結束後再來決定貓是死是活!比如說,原子在1點鐘要麼衰變毒死貓,要麼就斷開裝置使貓存活。但如果有某個延遲裝置能夠讓我們在2點鐘來「延遲決定」原子衰變與否,我們就可以在2點鐘這個「未來」去實際決定貓在1點鐘的死活!

這樣一來,宇宙本身由一個有意識的觀測者創造出來也不是什麼不可能的事情。雖然宇宙的行為在道理上講已經演化了幾百億年,但某種「延遲」使得它直到被一個高級生物所觀察才成為確定。我們的觀測行為本身參與了宇宙的創造過程!這就是所謂的「參與性宇宙」模型(The Participatory Universe)。

宇宙本身沒有一個確定的答案,而其中的生物參與了這個謎題答案的構建本身!

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