《大雄的魔界大冒險》與雙縫幹涉實驗
多啦A夢(我還是更喜歡機器貓這個稱呼)長篇故事裡有一集是《大雄的魔界大冒險》,故事裡大雄感嘆:要是我們的世界不是科學世界而是魔法世界那該多有趣啊。
比如說,不是騎著單車上學,而是騎著掃帚上學:
又比如說,不是擠公交車,而是擠公共飛毯:
其實,根據費恩曼的可擇歷史理論,大雄並沒有說錯:確實挺可惜的。
1、雙縫幹涉實驗
要理解費恩曼到底說了啥,我們先來複習一下一個中學實驗:雙縫幹涉實驗。
將一束光射向兩條狹窄的縫隙,最後在屏幕上出現的是一系列幹涉條紋。這個實驗用來證明光的波動性,即光是一種波,分別通過兩個裂縫的光波會彼此幹涉形成幹涉圖像。
同時,光也具有粒子性,即光是由一個個的光子(或者說光量子)組成的。
其實不止是光,任何一束粒子流都會出現雙縫幹涉現象。以下的實驗如果把光子換成其他粒子(比如電子或者更大的巴克球),也並不會改變實驗結果。
我們在日常生活中見到的光也是由光子組成,比如一盞1瓦的夜燈每秒能放射出100億億個光子。
但是在實驗室,我們可以製造出一束極其微弱的微光,這束微光微弱到使得光子是一個接一個地到達縫隙,而且每個光子之間的間隔時間高達幾秒鐘,這對於以光速運動的光子而言是非常非常非常長的間隔了。這時,幹涉圖像依然出現!
可是為什麼呢?一個光子是怎麼互相干涉形成幹涉條紋的呢?
這就牽涉到量子物理與經典物理的一個區別了。
比如,我要從永州出發去上海,怎麼去呢?我可以坐高鐵從永州直接到上海。我也可以先坐高鐵去長沙,再從長沙坐高鐵去上海。我還可以坐長途車或者自己開車或者蹭車去長沙或者衡陽再坐高鐵去上海。我還可以用各種方法先去桂林或者長沙然後坐飛機去上海。我還可以先去張家界然後去北海然後去桂林再去上海,或者先到李達中學學校食堂吃個飯再去上海……總之,我有近乎無數條路徑可以去上海。
而當我到達上海後,那麼就可以確定,我是選擇了其中某一條路逕到的上海。
但是對光子而言就不是這樣了。
對於一個光子來說,它同樣可以選擇無數條路逕到達上海,它甚至可以有更多選擇,比如先去木星轉幾圈或者先繞宇宙轉一圈再去上海。重點不是路徑的多少,而是:當光子到達上海後,光子並不是隨機選擇了其中某一條路逕到的上海,它是同時(記住,同時!)選擇了所有的路徑。
就好比,我同時上了火車、飛機、長途公交、的士、朋友車去上海了。這對於我們日常生活中所見所聞而言是不可思議的。
不過量子正是這麼做的——
同時通過兩條裂縫的一個光子自己幹涉了自己,形成了幹涉條紋。
這就是費恩曼的理論。這聽起來太瘋狂了,但是就如今大多數基礎物理研究而言,費恩曼的表述比之前的理論更為有用。
費恩曼認為,粒子同時選擇了所有的路徑,每一條路徑都提供了一個被稱為相位(在一個波動周期中的位置)的數值。費恩曼的數學計算就是把所有的數值疊加到一起(不是代數的相加,是矢量的相加),得出一個粒子從A出發到達B的概率幅度,把這個概率幅度平方,就能得出粒子到達B的正確概率。通過這個方法計算出來的概率與實際測量結果相符合。
2、更奇怪的雙縫幹涉實驗
對於腦洞比黑洞還大的科研工作者而言,他們能把雙縫幹涉實驗玩出一朵花來。
比如,他們會在其中一條裂縫(或者兩條裂縫)上安裝能夠檢測到光子的感應裝置,這樣他們就可以得知,光子到底是通過哪條裂縫了。於是,幹涉現象消失了……當把感應裝置撤除後,幹涉現象又出現了……
然後,他們弄了一束包含多種粒子的粒子束,然後感應裝置只能檢測到其中某些粒子。結果就是,能被檢測到的粒子不出現幹涉現象,不能被檢測到的粒子出現幹涉現象。
他們甚至做了一個很「高級」的實驗:「量子擦除」雙縫幹涉實驗。他們弄了兩個處於量子糾纏狀態的光子,用光子A做實驗,在裂縫處裝上不同的介質。當光子A通過不同的介質時就會出現不同的變化。與光子A量子糾纏狀態的光子B也會同時出現變化。由於量子糾纏的超距作用,他們可以在很遠很遠的地方偷偷觀察光子B。
然並卵,結果是一樣的:只要有觀察者(不管是直接還是間接的觀察者),幹涉現象消失。只要沒有觀察者,幹涉現象出現。
其實我覺得費恩曼的理論很好的解釋了這些現象:當你明確知道光子沒有通過裂縫A,那麼光子選擇的路徑就不包括通過裂縫A的那些路徑。最後路徑相加的時候,當然就不需要把那些路徑加進去了。
3、延遲選擇實驗
更讓人「瘋狂」的是約翰·惠勒的延遲選擇實驗。他的實驗是選擇觀察,但是是等粒子通過裂縫之後但是尚未到達屏幕之前進行觀察。
按照常理我們會覺得,既然粒子已經選擇了同時通過兩條裂縫,那麼我們的觀察就並不會影響幹涉現象了。
然而,粒子說:我不要你覺得,我只要我覺得。於是,幹涉現象又消失了。
就好像,粒子提前就知道了我們肯定會「偷窺」它,所以它事先就改變了選擇——關鍵是,我們自己都不知道自己會不會「偷窺」它啊……而且,粒子有思維意識這種事也太「瘋狂」了。
另一個解釋同樣「瘋狂」:粒子確實同時通過了兩條裂縫,但是我們的觀測改變了這個過去,從而決定了現在。
還有第三個解釋:上帝在創世之初就知道你哪次會觀測哪次不會觀測。即使你本人都無法預知你會不會進行觀測,但是全知全能的上帝自然是知道的,所以祂事先就對每次實驗結果進行了安排。
三個解釋,你選哪個?
相對來說,第二種理論可能性更大一些。
4、宇宙的可擇歷史
惠勒的實驗如果擴展到宇宙……
假如距離地球幾十億光年的地方,有一顆恆星發射出的大量光子正朝著地球而來。由於途中天體的引力透鏡效應它們會分成兩路然後匯聚到地球。如果我們能收集這些光子(當然這超出了我們的技術),應該會看到它們也形成了幹涉現象。
如果我們在這些光子到達地球之前,先去這兩路光子之中的一路的提前一些的位置進行觀測。那麼,按照惠勒的實驗結果,幹涉現象就會消失。
也就是說,幾十億年前發生的事情(那時別說人類了,地球甚至太陽都還沒有形成),會被人類的觀測影響,從而改變它的過去。
也許和微觀粒子一樣,宇宙也沒有確定的唯一的歷史,而是每種可能的歷史都同時存在,每種歷史都有其自身的概率。而我們如今對宇宙的觀測會改變它的過去,決定它的現在。
回到《大雄的魔界大冒險》,也許魔法世界和科學世界是同時存在的,而我們對分子原子電子夸克的觀察,我們對萬有引力對廣義相對論對量子物理的研究,改變了世界的歷史,決定了世界的現在,使得魔法世界消失,只留下科學世界。
有時看《西遊記》,如果要用科學理論來解釋裡面的仙法道術,也是可以解釋的。反之亦然,如果我們現在是魔法世界,那麼用魔法原理來解釋科學現象,也應該是可以解釋的。
如果可以選兩個魔法來學習,我想我會選造水術和造食術。