觀察能影響客觀世界,電子雙縫實驗有多邪?觀察者效應可信嗎?

2020-09-17 科學信仰


世界是客觀存在的,是不以人的意志為轉移的,這是我們所知的基本常識。

當一位朋友給我們遞來一杯水,這杯水是熱的就是熱的,是涼的就是涼的,並不會因為我們的意願而發生變化。在宏觀世界中,這是一件理所當然的事情,但在微觀世界,情況就完全不同了。不要覺得微觀世界離我們很遠,因為我們所生活的宏觀世界就是由微觀世界所組成的,而微觀世界又似乎遵循著一套與我們認知截然不同的規則,而這套規則就是量子力學。

然而量子力學從誕生開始就一直存在著爭議,而爭議的雙方是以愛因斯坦和薛丁格為代表的波動派以及以玻爾和波恩為代表的哥本哈根學派。而雙方爭執的焦點就在於電子的性質上。在以前,人們一直認為電子是一種粒子,但後來人們發現氫原子的電子只能運行於特定的軌道之上,要麼處於A軌道,要麼處於B軌道,卻不會運行於AB軌道中間的位置,這是一個難以解釋的現象。


為了解釋氫原子電子只能運行於特定軌道的現象,一些科學家做出了大膽的假設,德布羅意首先提出了物質波的概念,認為電子具有波的性質,而後,薛丁格又通過著名的薛丁格方程描繪了波函數隨時間的演化過程。

薛丁格徹底否定了電子的粒子性質,他認為電子實際上就是一種波,而之所以看起來像是粒子,完全是因為電荷的密度過大所導致的。薛丁格因此而斬獲了諾貝爾獎,但他的看法卻不被另一派科學家們所接受,這些科學家被統稱為哥本哈根學派,玻爾和波恩都是其中的代表人物。他們認為電子並不是一種波,也不是一種單純的粒子,實際上電子既具有粒子的性質,也具有波的性質,簡而言之就是電子既是粒子又是波。


哥本哈根學派的看法對傳統的認知是一種巨大的挑戰,因為在傳統認知中,一個動物要麼是貓,要麼是狗,不可能既是貓又是狗。

兩個學派的爭執最終匯集到了一個著名的實驗之上,就是電子雙縫幹涉實驗。這個實驗簡言之是這樣的,向前方發射電子,在前方的阻擋板上有兩條縫隙,電子在穿過兩條縫隙之後會在後面的背板上顯示出明暗相間的幹涉條紋。

波動派認為正是因為電子是一種波,所以才會產生幹涉條紋。而哥本哈根學派的看法有所不同,他們認為電子並沒有具體的位置,電子的位置只能夠用概率來進行表示,之所以會產生幹涉條紋,是因為電子出現在每一個位置的概率是不相同的,出現在某一位置的概率大,出現在某一位置的概率小,所以會產生幹涉條紋,他們把這稱之為概率詮釋。


為了讓爭執有一個結果,實驗被稍稍進行了改動,那就是一次只發射一個電子。

一個電子一次只能夠穿過一個縫隙,不可能同時穿過兩個縫隙,的確,當發射一個電子之後,的確只在背板上形成了一個點,但是在繼續發射電子後,最終一個一個的點還是在背板上組成了明暗相間的幹涉條紋。

波動派認為只有電子是波,才能夠產生這種結果,而哥本哈根學派認為這仍然可以用概率詮釋來解釋,因為每一個電子出現在不同位置的概率也是不同的。既然爭執仍然存在,那就再對實驗進行一下改動,在兩條縫隙的位置安裝監測設備,看一看電子到底是如何穿過縫隙的,這樣就能夠確定電子到底是不是波。


令人難以理解的是,當安裝了監測設備之後,觀察到的電子的確是只穿過了一條縫隙,但問題在於背板上的幹涉條紋也消失了。

觀察,幹涉條紋就會消失,不觀察,就會形成幹涉條紋,這太詭異了,難道我們的世界不是客觀的嗎?一個客觀的物理世界怎麼會因為主觀觀察而改變呢?這就是著名的觀察者效應。愛因斯坦對概率說以及觀察者效應始終不能接受,他認為之所以會出現這樣的結果,是因為有某些我們所不知道的隱變量影響了實驗的結果,而並非因為觀察而改變。

而且,觀察會影響客觀世界,這本身就存在著邏輯問題,因為觀察到底是誰觀察,機器只是設備,最終觀察的還是人,如果說人的觀察能夠改變結果,那麼動物的觀察是不是也行呢?愛因斯坦始終都堅持著他的看法,上帝不擲骰子。

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  • 雙縫實驗中,電子是怎樣通過雙縫的呢?
    因為在玻爾看來,一個電子究竟是粒子還是波,取決於我們用什麼設備去測量電子。他進一步說,在沒有測量之前,並沒有真實的量子世界,只有一個抽象的物理學描述。還是用電子的雙縫實驗來說這個問題。玻爾在一篇論文中說:……通過一個孔的電子將受到另一個孔開啟或關閉情況的影響,這是完全不可理解的。
  • 雙縫實驗中,電子是怎樣通過雙縫的呢?
    目前,物理學家們已經在實驗室中完成了很多微觀粒子的雙縫實驗,如光子、電子、中子、質子、原子和分子等等。這些實驗充分說明微觀粒子同時具有粒子性和波動性兩種矛盾的特性。物理學家們稱它為波粒二象性。但是,這真的可能嗎?
  • 雙縫實驗發現大恐怖,科學家無法解釋,或有「觀察者」存在?
    在量子力學理論中,觀察光子或電子等微觀物體波動性或粒子性常用的就是雙縫實驗。實驗結果發現屏幕上出現了明、暗交替的明亮條紋。光從小孔出來,證明了光的粒子性,通過雙縫時發生衍射證明了光的波動性,這就是用以證明光的波粒二象性的雙縫幹涉實驗。20世紀初,科學家用可射一個光子的儀器重複這個實驗也得到了相同的實驗結果,此外,科學技術的進步讓電子也被證明了具有相同的性質,但也讓科學家發現了一些恐怖的東西。
  • 雙縫實驗發現大恐怖,科學家無法解釋,或有「觀察者」存在?
    雙縫幹涉實驗光是由光子組成的,而光子的長度被定義為1個普朗克長度,對於這種微小光子來說牛頓的經典力學顯然已經不再適用,而要引入量子力學理論。在量子力學理論中,觀察光子或電子等微觀物體波動性或粒子性常用的就是雙縫實驗。
  • 用雙縫實驗來檢測電子的物理行為
    假若光束是由經典粒子組成,將光束照射於一條狹縫,通過狹縫後,衝擊於探測屏,則在探射屏應該會觀察到對應於狹縫尺寸與形狀的圖樣。可是,假設實際進行這單縫實驗,探測屏會顯示出衍射圖樣,光束會被展開,狹縫越狹窄,則展開角度越大。在探測屏會顯示出,在中央區域有一塊比較明亮的光帶,旁邊襯託著兩塊比較暗淡的光帶。
  • 詭異的電子雙縫實驗
    觀測竟然也能影響電子行為? 它知道我們在看它? 如下圖。事實上在電子雙縫實驗中,人們所確定的不可觀測性。按海森堡的(不確定性原則),由於電子的質量實在太輕,我們把光子(要觀測總得把光照在上面吧)打到上面就會嚴重影響它的運動軌跡。
  • 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。
  • 一文弄懂雙縫幹涉
    這也是量子力學的開端,之後愛因斯坦發現光也具備能量,可以打出電子,於是發現了光電效應,每一份光的能量子被稱為光量子,後來簡稱光子。隨後約瑟夫·約翰·湯姆森發現了發射單個光子的方法,於是人們又想起來雙縫幹涉實驗。
  • 人的觀察能夠影響結果,匪夷所思的雙縫幹涉實驗揭示了什麼奧秘?
    到了20世紀初,為了解釋光電效應,愛因斯坦重拾光微粒說,並在普朗克能量子的啟發下提出了光量子,成功解釋了光電效應,並獲得了諾貝爾物理學獎科學家們把雙縫實驗中的光子換成電子,也得到了幹涉條紋。這說明人的觀測行為竟然能夠影響實驗結果。
  • 一個普通的物理實驗到底詭異在哪兒,能讓那麼多人著迷?
    真正的實驗對象,其實是微觀世界的粒子(光子和電子等,別怕,用不著理解這個的含義和區別)。如果真的這麼簡單,那這個實驗怎麼會這麼出名呢,你說是吧? 因為這個實驗還沒有做完。科學家們想,之前是多個粒子同時不停發射,在穿過雙縫時,可能互相碰撞影響,所以在牆上留下了幹涉條紋;那麼把粒子一個一個單獨發射過去呢?應該不再會有幹涉條紋了吧?
  • 雙縫幹涉實驗究竟有多恐怖?粒子也是有生命的,被觀察時改變狀態
    很多人都知道雙縫幹涉實驗,因為雙縫幹涉實驗已經成為了高中物理的入門實驗,但老師只會講述雙縫幹涉實驗的過程以及出現的結果,但並不會講述其原理,這是因為雙縫幹涉實驗的原理在物理學界同樣是一個謎題。雙縫幹涉實驗的謎題主要是有兩個,一個是粒子為什麼出現波才會出現的現象,另一個就是為什麼在觀測之時和沒有觀測之時呈現出兩種現象。雙縫幹涉實驗究竟有多恐怖?
  • 為什麼說雙縫幹涉實驗恐怖?到底恐怖在哪裡?
    雙縫幹涉實驗所顯示出來的結果是20世紀科學家集體遭遇的一次「靈異事件」,在這個簡單的實驗中微觀世界的基本本質,疊加態、不確定性、觀察者效應展現的淋漓盡致。 而這三個現象又是如此的燒腦、違反直覺、毀人三觀,所以我們常說雙縫幹涉實驗的結果讓人覺得後背發涼,有那麼一點「恐怖」的感覺。