恐怖的雙縫幹涉實驗——20世紀物理學的靈異事件

2020-12-03 清清浮生

雙縫幹涉實驗,著名的光學實驗。經典的楊氏雙縫實驗,就是從從兩個狹縫射出的波,因為振幅和相位在空間的分布不同,相位相同的區域,振動加強會形成明亮條紋,相位相差π的區域,振幅相減,會呈現暗條紋,因此屏幕上會出現明暗相間的幹涉條紋。

雙縫幹涉實驗

那麼實驗的恐怖之處在哪呢?當實驗進行到不可改變的階段,觀測與不觀測的結果是不同的,這才是實驗的可怕之處,毀三觀。下面詳細解釋一下。這裡我們做3個思想實驗(注意是思想實驗,所以繼續使用光子,為了與經典比對,實際操作的話用電子表述更嚴謹)。

第一個實驗:我們用一個光源連續的發射光子,S1和S2狹縫都打開,那麼在屏幕上會有什麼結果?結論很明顯,會得到和楊氏雙縫實驗一樣的結果,屏幕上會形成明暗相間的幹涉條紋。

第二個實驗:S1和S2狹縫還是同時打開,但光源每次只釋放一個光子,屏幕上會有什麼結果呢?這時很自然地就會想到每次只有一個光子,那個光子要麼從S1狹縫穿過,要麼從S2狹縫穿過,同一時刻兩個狹縫不可能都有光子,就不可能出現兩個狹縫的幹涉,屏幕不會出現幹涉條紋。結果讓人大跌眼鏡,雖然每次只有一個光子,但經過時間的積累,屏幕上依然出現了幹涉條紋。

疊加形成幹涉條紋

那這個光子是在和誰進行幹涉的呢,難不成自己和自己進行幹涉。沒錯,就是這麼奇妙,我幹涉我自己。這就涉及到量子力學中的概念——疊加態。光子處於從S1狹縫和S2狹縫穿過的疊加態中,只要你不測量,你就不能確定光子是從哪個狹縫穿過的。那麼多包含多個路徑的處於疊加態的光子就會自我幹涉,你說恐怖不恐怖。

但更恐怖的還在後邊。

第三個實驗:光源還是每次只釋放一個光子,兩個狹縫都打開,但屏幕換成光電探測器,來看一下單個光子到底是通過了哪條狹縫,還是它會分身分別經過了兩條狹縫,那麼探測器上會出現什麼結果呢?俗話說得好,看一眼又不會怎麼樣。但結果仍然出人意料,幹涉條紋竟然消失了,變成了兩道簡單的光束。頭皮發麻啊,我看一眼,你就不是你了!這說明我們的觀測行為導致了光子的狀態發生了改變。這就涉及到量子力學的第二個概念——測量。測量會引發疊加態的坍塌。包含兩個路徑的疊加態一定會坍縮成只包含一個路徑的單態,那這時這種基於疊加態的幹涉就完全地被測量這一行為破壞掉了。

這就是著名的觀察者效應。舉個簡單的例子,足球運動員射球的一瞬間這個球進不進和足球當時所處的位置、運動員發力的大小和位置、風速等等這些物理因素有關,只要經過足夠精細的科學分析,我們就能判斷出這個球到底能不能進。但是唯獨沒有關係的就是你當時有沒有看這場比賽,你看與不看都不妨礙球是否能進。但是微觀世界的實驗告訴我們,球進與不進這個結果和你有沒有看球有關,恐怖!

這簡直令人發狂,不可思議。人類的意識可以改變宇宙的狀態,唯心主義差點復活。

總結一個,大家對於這個實驗感到「恐怖」是來源於其實驗現象的反直觀:

1、 光子一個個地從光源出發,也能出現幹涉;

2、看一眼,幹涉條紋就消失。

真實的解釋來自量子力學中兩個重要概念,分別是疊加態測量所導致的坍縮。

科學是戳穿謊言的利器,相信科學,珍愛生命!

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