1999年,馬裡蘭大學的Kim發表了一篇論文,詳細介紹了關於他做的一個物理實驗,我希望用最淺顯的語言和文字,向你們解釋這個物理實驗的過程和其內涵的違背我們常識的道理,目前的所有物理學,都無法解釋這一現象。
我們都知道,光具有「波粒二象性」,簡單地說,光既是粒子又是波。早期的楊氏雙縫幹涉實驗中。因為波具有「幹涉」特性,所以當光波通過兩個小孔的時候,背景裡面出現了明暗相間的幹涉條紋。
後來人們用單個光子做實驗,因為單個光子一個一個通過的時候,他應該表現得更像粒子,所以他應該無規則的落在屏幕上。但是屏累積很多次電子衝擊事件之後,會顯示出熟悉的幹涉圖樣。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。
但是如果我們在每次光子經過狹縫的時候直接用儀器觀測光子到底經過哪一條狹縫,我們卻發現,屏幕上的幹涉圖案沒有,變成了雜亂無章狀態,不再有幹涉圖案。這就是量子力學的基本概念,即觀察的過程會導致波函數的塌縮。
Kim的這個實驗更加複雜,結果也更加驚人。
在Kim的裝置中討論如下:
1 上方小孔:光子如果從上方小孔通過,走紅色路徑,會一半到達底片D0,另外一半到達稜鏡PS,再到達BSb, BSb有一半機率將光子發射到D4,有一半的機率將光子折射到Mb,Mb是一個反射鏡,它把全部光子反射到BSc,而BSc有一半的機率將光子反射到D2感光,有一半的機率將光子折射到D1感光。
所以上路不考慮D0的話,其他光子在光路中經過,D4有50%概率感光,D2,D1各有25%概率感光。
2下方小孔:光子如果從下方小孔通過,走天藍色路徑,會一半到達底片D0,另外一半到達稜鏡PS,再到達BSa, BSa有一半機率將光子發射到D3,有一半的機率將光子折射到Ma,Ma是一個反射鏡,它把全部光子反射到BSc背面,而BSc背面有一半的機率將光子折射到D2感光,有一半的機率將光子反射到D1感光。
所以上路不考慮D0的話,其他光子在光路中經過,D3有50%概率感光,D2,D1各有25%概率感光。
換句話說,我們如果只觀察D1,D2是否感光的話,我們其實並不知道光子是從上面的狹縫通過還是下方的狹縫通過。但是我們如果觀察D3,D4的時候,我們就知道這個光子是從哪裡經過的。
同時D3,D4的光路設計的比光子到達D0的距離要長,所以光子到達D3,D4的時間比達到D0的時間快8納秒。
這時候我們開始觀察單個光子的經過情況,實驗者發現,如果實驗者在D3,D4發現感光信號的時候,則D0那方一定是雜亂無章的信號,即沒有幹涉圖案。
但是如果是D1,D2發現感光信號的時候,則D0那方一定有幹涉圖案。
請注意,因為D1,D2,D3,D4的光路比D0距離遠,所以我們其實是在D0圖案產生了8納秒以後才去做的測量光子究竟走的哪一條狹縫。但是,即使這樣,這個去往D0的光子,依然知道我們未來會測量出光子走了哪一條狹縫,而表現出幹涉或者雜亂。
即事情的結果發生了,然後才是這件事情產生的原因。舉個例子,水是熱的是因為我們燒水。但是現在的實驗結果確實,水先熱我們才去燒。
這個實驗因為違反人類的認知事物客觀因果規律,在過去被精確地用不同的手段被重複了很多次。
量子力學認為,觀測會導致粒子波函數的塌縮,即觀測是粒子波函數的塌縮的原因。可是現在的實驗結果是,在被觀測以前,這個粒子就知道未來他自己會被觀測而提前進行了塌縮。
客觀世界認為原因導致結果,可現在是結果有了,原因才會根據結果出現。
我想說的是時間可能並不是單向流動,從過去流向未來,時間流動的本質,人類並不理解。同時大家不要養成固定思維的習慣,生活中有些看上去很平常的事情,我們人類並不是真的完全理解!
也許這個實驗會像當年黑體輻射引出量子力學,光速不變引出相對論一樣,引領一場物理學的革命。不知道我這個普通人能不能看到這一天。
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關於楊氏雙縫幹涉實驗
https://baike.baidu.com/item/%E5%8F%8C%E7%BC%9D%E5%AE%9E%E9%AA%8C/5648320?fromtitle=%E6%9D%A8%E6%B0%8F%E5%8F%8C%E7%BC%9D%E5%B9%B2%E6%B6%89&fromid=5536940&fr=aladdin
關於延遲選擇量子擦除實驗
https://baike.baidu.com/item/%E5%BB%B6%E8%BF%9F%E9%80%89%E6%8B%A9%E9%87%8F%E5%AD%90%E6%93%A6%E9%99%A4%E5%AE%9E%E9%AA%8C/22689208?fr=aladdin
最後我想說的是,本次的內容是客觀世界的真實現象!但是本期的內容可能有一定的難度,大家實在看不明白也沒有關係,當個益智小故事也好。