【物理前沿】物理學家的夢魘:雙縫幹涉實驗,為何讓科學家感到恐怖?

2021-01-18 環球物理

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。話說在300多年前，牛頓提出了萬有引力定律和力學三大定律，一舉奠定了經典物理學。牛頓的理論描述的是宏觀低速世界的規律，描述的現象是具有確定性的，具有因果關係。

在經典物理學的世界觀下，宇宙存在著一個絕對客觀的規律，只要我們能夠找到它，那就可以了解宇宙中的一切，這也被稱為決定論。

實際上，在近代之前，大多數的科學家都堅信這一點，即便是到了量子力學開始發展，量子力學的許多奠基人依然堅信這一點，其中就包括愛因斯坦，薛丁格等人，以至於他們最終站到了量子力學的對立面中去。


雙縫幹涉實驗

雙縫幹涉實驗在整個量子力學的發展過程中，都是科學家們繞不過的實驗。著名的物理學家費曼曾經在他的著作《費曼物理學講義》中這麼評價雙縫幹涉實驗：

雙縫幹涉實驗展出的量子現象絕對不可能以任何經典物理學的方式來進行解釋，它包含了量子力學的核心思想和量子力學唯一的奧秘。

雙縫幹涉實驗的實驗儀器設置實際上很簡單。說白了就是把一束光照射到一塊刻有兩條狹縫的板上，光束通過狹縫之後，會照射到探測屏幕上。

科學家做了這個實驗後發現，探測屏上出現了明暗條紋相間的圖樣。這個實驗最早是用來證明：光具有波動性。這是因為這個現象可以利用幹涉來解釋，明亮的條紋是相長幹涉區域，暗淡的條紋則是相消幹涉區域。


另類「雙縫幹涉實驗」

看似已經很好地解釋了這個實驗，但是事情在之後發生了反轉。20世紀初，量子力學開始迅猛地發展。而量子力學的發展得益於科學家們在爭論：光到底是粒子，還是波？

這就使得雙縫幹涉實驗被推到了風口浪尖，因為如果科學家要認定光是一種粒子，那如何解釋雙縫幹涉？

那這裡的矛盾點其實就是：單個的「光」到底是呈現什麼樣的狀態？

為了解決這個問題，科學家傑弗裡·泰勒爵士設計了一個技巧的雙縫幹涉實驗。他把入射光束的強度大大降低，使得在任意時間間隔內，最多只發射一個光子出來。這個時候，他就發現主要時間足夠長，最終還會有幹涉圖樣。這實驗告訴我們即便是每次只有單個光子，這個光子也可以同時通過狹縫，也就是說它自己和自己發生了幹涉。

不僅如此，後來還有一位叫做克勞斯·約恩松的科學家拿電子來做類似的實驗，結果也得到了電子發生幹涉的結論。類似的電子幹涉實驗，科學家皮爾·梅利也做過，他成功的讓電子一顆一顆地發射出來，得到了幹涉條紋。


量子擦除實驗&延遲選擇實驗

但這還不是最詭異的還是這些實驗。而是是基於雙縫幹涉實驗衍生出來的量子擦除實驗。這個實驗的第一步就是重複一遍雙縫幹涉實驗得到幹涉圖樣。第二步就是：觀察，看看光子或者電子從哪個縫通過，結果機會發現幹涉圖樣消失了，之所以會消失是因為「路徑信息」的存在。第三不就是消除「路徑信息」，結果又可以重新得到幹涉圖樣。

這實驗直接就顛覆了經典物理學的因果律。也就是說，在量子世界中，因果律很可能是不存在的。同樣顛覆因果律的，還有惠勒的思想實驗「延遲選擇實驗」。


哥本哈根學派

基於大量的實驗，我們可以發現量子世界的粒子無論是光子、電子，同時具有粒子性和波動性。這可以說讓許多科學家都無法接受。因為在經典物理學中，粒子性和波動性是對立的，不可能是同一個物體的屬性。這樣荒誕的結果使得學術圈出現有兩個陣營，一個是以愛因斯坦為首的波動派，另一個是以波爾為首的哥本哈根派。

哥本哈根學派的波爾提出了互補性原理，他認為光既是一種粒子，也是一種波。

哥本哈根學派的波恩則提出概率解釋，他認為我們只能知道粒子出現在某個位置的概率是多少，但無法確定粒子本身在哪，除非你觀測它。


上帝不擲骰子

這種「概率性」的解釋，以及「光同時具有波動性和粒子性」的觀點是愛因斯坦等人無法接受的，因為這會導出一個觀點，宇宙可能並不存在一個確定性的客觀規律，這與決定論是相違背的。於是，愛因斯坦在和波爾的一次辯論中說道：上帝不擲骰子。

你看，連愛因斯坦的都無法接受的現實，足以見得所以費曼才會說：沒有人真的懂量子力學。

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