一個普通的科學實驗,揭示的現象卻無比詭異,還顛倒了因果關係

2020-12-24 科學新視界

頂級科學家之間的來往其實和普通人沒什麼區別,愛因斯坦和玻爾認識後,每次見面都要「鬥嘴」。他們爭論的對象是量子力學,很多人都知道量子力學的創立者是普朗克和玻爾等人,其實愛因斯坦也是量子力學的創立者。他和玻爾之間的爭論,解決了不少量子力學的基礎概念問題,比如上帝會不會擲骰子?

這應該是愛因斯坦的名言之一了,針對的是量子力學中的隨機性。愛因斯坦希望科學家能找到一種能解釋這種隨機性的理論,而不是簡單地認為隨機性就是世界的本質。高中物理有個實驗,理科生應該清楚,叫做雙縫幹涉實驗,它就是這種「隨機性」的代表。而實驗結果揭示的現象,足以讓人懷疑整個宏觀世界。

起初科學家用的是蠟燭,選擇光子作為實驗對象,後來改成了電子,我們就用電子雙縫幹涉實驗來說明一下。先用儀器釋放出電子束,讓它穿過兩道平行的縫隙,再投影到後面的探射屏上。探射屏會出現大量幹涉條紋,這說明電子表現出了波的特性。

再控制電子一個一個地穿過縫隙,讓探測器記錄過程,實驗結果讓科學家感到無比詭異。原本的明暗幹涉條紋消失不見了,取而代之的是兩條明亮的條紋,再把探測器關掉,幹涉條紋又出現了!這說明什麼?說明電子可以自主調整狀態,從粒子變成波,又從波變成粒子,它能自由切換。

電子雙縫幹涉實驗在科學界引起了轟動,無數科學家親自動手,看看是否是這樣。哥本哈根學派作為量子力學的誕生地,聯繫了大量科學家,想要解釋實驗背後的真相。經過一番討論後,科學家又加了一個新步驟,進行延遲擦除實驗。

用兩個探測屏來探測電子,一個普通探測屏,一個延遲探測屏。其中的延遲探測屏有兩條路徑,長短不一樣,電子經過這兩條路徑的時間是不一樣的,我們計算時間就能得出它是穿過了哪條縫隙,結果沒有出現幹涉條紋。之後我們再改變兩條路徑的長度,讓它們相等,等於是「擦除」了兩個路徑的差距,所花費的時間應該是一樣的,結果乾涉條紋又出現了。

而根據量子糾纏的理論,我們觀測一個粒子就能知道另一個粒子的狀態。可是電子到達延遲探測屏的時間延遲了,另一個電子到達探測屏的時間比它短!

這種粒子的延遲行為,再次讓科學家瞪大了眼睛。所有的現象都表明電子在通過雙縫的時候,擁有了預知未來的能力,它知道了觀測者想要幹什麼,然後根據觀測者的行為調整它自己的幹涉行為。簡單地說,它顛倒了因果關係。

雙縫幹涉實驗的詭異之處就在這裡,我們掌握的「常識」似乎完全被打破,沒辦法解釋粒子的這種狀態,它到底是用什麼方式改變自己的狀態的?時至今日,我們對量子力學領域已經有了不少基礎的認知,雙縫幹涉實驗卻沒有一個理論能完美解釋。觀測者的行為相對於實驗結果是「未來」,可「未來」的行為卻能干涉「過去」發生的事。

無數科學家絞盡腦汁也想不出這是為什麼,它和我們的認知是違背的。玻爾在了解這一實驗後,果斷給出了他的想法,我們為什麼要把宏觀世界的認知套在微觀世界上?微觀世界所遵循的法則必須要和宏觀世界一樣嗎?雖然玻爾沒能成功解釋雙縫幹涉實驗,但他確實第一個想通了的人。微觀世界的神秘本來就和宏觀世界有著較大差異,我們應該用全新的眼光去看待。

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