《大雄的魔界大冒險》與雙縫幹涉實驗

2021-02-25 陳天發呆

《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。

相關焦點

  • 單原子的雙縫幹涉實驗
    Physics World,2020,(2): 31)著名的楊氏雙縫實驗演示了光的幹涉原理。現在,利用雷射激發單個銣原子,可以做一種等效的單原子的雙縫幹涉實驗。在過去的20年裡,我面試過400多名想來曼徹斯特大學學習物理的學生。楊氏雙縫實驗是經常出現的題目,顯然讓學生們感興趣。
  • 電子雙縫幹涉實驗證偽
    我想到了一個驗證電子雙縫幹涉實驗真偽的辦法,可惜沒有設備。具體方案如下:做兩次電子雙縫幹涉實驗,其它條件保持一致,雙縫到接收屏的距離改變一下。如果兩次實驗幹涉條紋的間距與雙縫到接收屏的距離成正比,則電子是粒子不是波。
  • 光的雙縫幹涉實驗
    光的幹涉是高中物理選修3-4的難點內容,因為光波的頻率非常高,所以難以用肉眼觀察到光的幹涉現象,學習時比較抽象,不易理解。
  • 環保工程師知識點:雙縫幹涉實驗
    ①用J2508型光的幹涉、衍射、偏振演示器:做本實驗用的全部裝置如圖1所示,在可旋轉式光具座導軌1的一端用滑塊固定光源2,光源燈泡由J1201型低壓電源的交流輸出供電,3是光源用單縫,縫寬0.11mm,光具架4裝在另一滑塊上,4中間安裝雙縫5,縫寬0.016~0.020mm,縫距0.080mm
  • 物理選考複習系列——雙縫幹涉實驗
    1、雙縫幹涉實驗裝置圖(1)燈泡 (2)照明透鏡 (3)遮光板 (4)濾色片及片座 (5)單縫及縫座 (6)單縫管 (7)撥杆 (8)遮光管 (9)接長管>(10)測量頭(11)遊標尺(12)滑塊(13)手輪 (14)目鏡(15)半圓形支架2、雙縫幹涉實驗調節注意事項(1)在遮光管的一端裝上雙縫座,並轉動雙縫座,使得雙縫基本上與水平面垂直,然後在雙縫的外面套上單縫管,雙縫座固定螺釘嵌在單縫管的定位槽內,這時
  • 令人毛骨悚然的電子雙縫幹涉實驗
    這其中具有標誌性和裡程碑意義的一件事就是電子的雙縫幹涉實驗。1907年,託馬斯.揚實現了光的雙縫幹涉實驗,再次引發了光的本質究竟是粒子還是波的爭論,但此時的爭論仍局限在經典物理的範疇內。1961年,蒂賓根大學的克勞斯·約恩松不知道哪根筋搭錯了突發奇想用電子來進行雙縫幹涉實驗,從而打開了量子領域的一個潘多拉盒子。
  • 科學小實驗:楊氏雙縫幹涉實驗
    這叫幹涉,振動波才有這樣的現象,如果光是粒子的話,在它後面應該是兩條細細的光線。這個實驗就是著名的楊氏雙縫幹涉實驗,聽說這個實驗改變了整個世界呢。今天我們嘗試看看能不能也做一個這樣的實驗。第1步:準備一個光源。
  • 論雙縫幹涉實驗,掉入「雙縫幹涉實驗陷阱」中,人類文明止步不前
    水波通過雙縫,表現為幹涉圖樣雙縫幹涉實驗,一個一個的電子射擊,不觀察,也是波的幹涉圖樣,程序讓一個一個的電子按波的規定通過雙縫,預先定義好的程序讓這些電子整體運動起來表現為波的幹涉圖樣雙縫幹涉實驗,有「
  • 雙縫幹涉實驗背後的幽靈,看量子力學如何解釋雙縫幹涉悖論
    文/科學新視界,百家號首發,轉載請註明來源於百家號前面我們科普過雙縫幹涉實驗,這個實驗證明了光的波動性,我們也講過愛因斯坦的光電效應,它證明了光的粒子性,由此我們得出了光的波粒二象性特質。可是大家有沒有仔細想過,有沒有可能我們通過一個實驗就能同時測出光的波動性和粒子性。人類是天才的,這個震驚物理世界的實驗就這樣誕生了,人們稱之為雙縫幹涉悖論。
  • 雙縫幹涉實驗最新解釋
    有人把電子雙縫幹涉實驗被稱為十大經典物理實驗之首,眾多物理學愛好者都對其做出了不同的解釋,但都沒有得到公認。經過多年的探索,我們認為微觀粒子的粒子模型及微觀粒子與引力的作用是揭開電子雙縫幹涉實驗之謎的正宗之法。本章全文約1.5萬字,認為三兩句話就能解釋清楚的慎入。(一)電子雙縫幹涉實驗的神奇之處。
  • 真分身術雙縫幹涉實驗
    其實我們在中學時候就已經接觸過量子理論了,就是光的波粒二象性,當時當時老師一般不會講太多,所以也沒覺得這個雙縫實驗有多神奇,所以也沒覺得這個雙縫實驗有多神奇。所以大家都很堅定這個想法,直到這個「雙縫實驗」的出現,直到這個「雙縫實驗」出現,「波動說」才拿到了發言權,我們拿一束光照向一個板子
  • 真分身術雙縫幹涉實驗
    其實我們在中學時候就已經接觸過量子理論了,就是光的波粒二象性,當時當時老師一般不會講太多,所以也沒覺得這個雙縫實驗有多神奇,所以也沒覺得這個雙縫實驗有多神奇。所以大家都很堅定這個想法,直到這個「雙縫實驗」的出現,直到這個「雙縫實驗」出現,「波動說」才拿到了發言權,我們拿一束光照向一個板子,我們拿一束現照向一個板子,這個板子上開了兩條平行的縫,這個板子上載了兩條平行的縫,然後光就會透過這兩個細縫,照到板子後超的牆上,照到板子後的牆上,那麼牆上有幾條亮紋呢,如果光是粒子,那麼通過兩條細縫,牆上理應對應出現兩條條紋才對,
  • 物理學最詭異實驗—雙縫幹涉
    1 楊氏雙縫實驗:光的實在性  光的雙縫實驗是託馬斯·楊(Thomas Young)在1801設計的,初為雙孔,後改為雙縫
  • 張祥前對光的雙縫幹涉實驗的解釋
    光的著名實驗是光的雙縫實驗。光的雙縫實驗就是在一塊隔板上開兩條縫,讓光從一側穿過,觀察另一側的光斑,你會發現光會像水波紋一樣形成一道斑馬線,這個原因是光從兩條縫穿過之後,像水波一樣互相干涉影響。這個實驗告訴我們,光具有波動性。
  • 「雙縫幹涉」實驗,細思極恐
    這就涉及到了光的"雙縫幹涉實驗"。「雙縫實驗」是什麼?當我們把一個個小球從一道縫噴射出去時,屏幕上會出現了一個個彈痕組成的柱形。當一道縫增加為兩道時,就是兩個柱形,這是小球的粒子性。換言之,如果我們把一道光波透過一道縫時,屏幕上出現了一個光柱。
  • 環保工程師基礎知識輔導:雙縫幹涉實驗
    ①用J2508型光的幹涉、衍射、偏振演示器:  做本實驗用的全部裝置如圖1所示,在可旋轉式光具座導軌1的一端用滑塊固定光源2,光源燈泡由J1201型低壓電源的交流輸出供電,3是光源用單縫,縫寬0.11mm,光具架4裝在另一滑塊上,4中間安裝雙縫5,縫寬0.016~0.020mm,縫距0.080mm,導軌另端用長滑塊固定雙縫實驗觀察筒
  • 超級恐怖的雙縫幹涉實驗,世界是意識影響?
    從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上,就會形成一系列明、暗交替的條紋,這就是現在眾人皆知的雙縫幹涉條紋。光束的波動性質使得通過兩條狹縫的光束互相干涉,造成了顯示於偵測屏的明亮條紋和黑暗條紋,這就是雙縫實驗著名的幹涉圖案。
  • "雙縫幹涉"實驗,細思極恐
    「雙縫實驗」是什麼?這是因為,光在透過兩道縫時,波峰和波谷彼此產生抵消和幹涉,這體現了光的波動性。這一實驗,推翻了牛頓統治了一百多年的光的粒子說。雙縫實驗的起源這一切還要從二十世紀講起,1961年克勞斯約恩松做了一個電子雙縫實驗,讓電子有概率性的通過雙縫,屏幕上方出現了和光一樣的雙縫幹涉現象,這證明了粒子也有波動性。
  • 物理學家的夢魘:雙縫幹涉實驗,為何該實驗讓科學家感到恐怖?
    經典物理學vs量子力學 如果要評選科學史上匪夷所思的實驗,那麼這個桂冠大概率屬於雙縫幹涉實驗,它就像是物理學家們的夢魘一樣,一直困擾著物理學家。那雙縫幹涉實驗到底是一個什麼樣的實驗呢? 要了解這個問題,我們首先需要了解一下什麼是經典物理學。
  • 物理學家的夢魘:雙縫幹涉實驗,為什麼該實驗讓科學家感到恐怖?
    典物理學vs量子力學 如果要評選科學史上匪夷所思的實驗,那麼這個桂冠大概率屬於雙縫幹涉實驗,它就像是物理學家們的夢魘一樣,一直困擾著物理學家。那雙縫幹涉實驗到底是一個什麼樣的實驗呢? 要了解這個問題,我們首先需要了解一下什麼是經典物理學。