雙縫實驗的哲學思考:看似簡單兩條縫,實質深藏一道謎

2020-12-06 量子認知

在上面兩篇文章裡,我們從宏觀經典力學與微觀量子力學的角度簡單討論了雙縫實驗。在這裡,我們從哲學的角度來討論一下這個實驗。

費曼在其《物理學講義》裡認為,雙縫實驗所展示出的量子現象不可能、絕對不可能以任何經典方式來解釋,它包含了量子力學的核心思想。事實上,它包含了量子力學唯一的奧秘。透過雙縫實驗,可以觀察到量子世界的奧秘。

對於雙縫實驗不可捉摸的謎團,100多年來對於它的解釋存在許多具有爭論的思想流派,眾說紛紜,沒有一個能說明。在量子力學的謎團,皆來自於人的認知的局限性的文章裡,我們詳細列出了這些哲學詮釋。在當今量子學界,最有影響力的是哥本哈根詮釋和多世界詮釋兩種。哥本哈根詮釋為許多量子力學先驅者的共識,而多世界詮釋越來越受到當代物理學界的青睞。

有讀者評論道,搞清雙縫實驗首先把分束器搞清楚。現在,我們用上篇文章中提到的分束器實驗,結合這兩種詮釋,來具體說明,如下圖所示。

多世界詮釋起源於排除哥本哈根詮釋的測量問題。 如果任一量子系統狀態由波函數給出,那麼有兩個過程控制它。 首先,波函數按薛丁格方程隨時間演變,這是個完全確定的過程。但在測量時, 波函數突然變為確定狀態,並可以計算出一些概率,即所謂概率跳躍。

多世界詮釋認為這是站不住腳的。更具體地說,「在測量過程中究竟發生了什麼?」 考慮一個穿過分束器的光子。 按照量子力學,它進入兩條路徑的疊加。此時光子的波函數是反射路徑和透射路徑這兩個波函數的線性組合。

如果分束器反射一半光並透射一半光,則概率均等於0.5。如果每個路徑末端有一個探測器D1和D2,那麼對於每個光子,通過分束器,我們將點擊D1或D2。在哥本哈根解釋中, 因為探測器以某種方式被神奇地視為經典物體,所以測量導致波函數的坍縮,從而光子定位在D1或D2處。 所以,在20世紀60年代,奠定了量子力學對稱性理論基礎的美籍匈牙利理論物理學家及數學家維格納,也意識到了這種將經典與量子頗為武斷的區別 ,並認為這是觀察者的意識導致坍縮的結果。

多世界詮釋採取了不同策略。按照量子數學計算原理將探測器也作為量子對象看待,則整個設備最終會在D1點擊和D2點擊的疊加中。如果觀察儀器可以作為量子對象看待,為什麼觀察者不可以作為量子對象看待?如果是這樣,觀察者最終會聽到D1點擊和聽到D2點擊的疊加。

所以,按照多世界詮釋,如果你只考慮D1點擊的波函數的一部分,你就會留下一個聽到點擊的確定的觀察者; 檢查波函數的另一部分,會揭示一個聽到D2點擊的確定的觀察者。 「換句話說,觀察者自己已經分裂成了許多觀察者,每個觀察者都看到了測量的確切結果,」多世界詮釋的創立者埃弗雷特這樣寫道。

埃弗雷特提出波函數沒有坍縮,因此沒有測量問題,仍存在所有可能性。在分束器和兩個探測器的簡單情況下,最終得到兩個觀察者,每個觀察者聽到一個探測器點擊。其中一個分支中的觀察者觀察到,例如,D1點擊,觀察者通過相同的分束器發送另一個光子。 同樣,觀察者分裂成一個聽到D1點擊的人,和一個聽到D2點擊的人。沒有坍縮,沒有概率跳躍,只有波的持續演變。

這個過程可以無限制地進行,從而得到一個觀察者的樹狀結構。如果跟隨這棵樹的任何一個分支,會發現一個聽到探測器的觀察者點擊,例如,按照以下順序:D1,D1,D2,D1,D2,D1,D1,D2,……; 或D1,D1,D1,D2,D1,D2,D1,D1; 或者是 D1和D2的隨機組合。

埃弗雷特認為,「對於他的'生命樹中的幾乎所有'分支',觀察者會聽到Dl或D2點擊的頻率,與初始疊加給出的概率相符,前提是當然進行了這個實驗與足夠的時間(事實證明並非如此簡單)。 埃弗雷特提出了一個連續理論和因果關係,因為一切根據薛丁格方程的規則確定性地進化 。埃弗雷特認為宇宙的波函數現在有兩個組成部分:一個在其中光子被透射,一個在其中所述光子被反射。

到此為止,哥本哈根解釋和多世界解釋都是同步與沒矛盾的。 系統現在是在這些狀態的疊加,並按照薛丁格方程演變。如果我們現在將探測器放在每個路徑的位置,那麼這兩種詮釋會給我們帶來截然不同的現實圖景。

在哥本哈根的圖景中,其中一個探測器點擊。 如果測量設備被認為是經典的,那麼該咔噠聲就是波函數坍縮的聲音。 有一段時間,物理學家想出了一種方法來解釋這種坍縮而不需要求助於魔術。 假設檢測器也可以被視為量子力學對象。 如果沒有完全隔離,探測器最終會開始與其環境相互作用,主要是通過其他環境光子和空氣分子反射,探測器與環境糾纏在一起。在數學上不可能描述這種複雜的交互作用。

量子力學用一種稱為密度矩陣的東西來描述光子和探測器的組合狀態,一種忽略環境的數學形式。在與環境相互作用之前,光子和探測器處於「光子被反射並且D1點擊」和「光子被透射並且D2點擊」的確定狀態。在與環境相互作用之後,系統處於「光子被反射並且點擊Dl」或「光子被透射並且點擊了D2」的狀態,但是我們不知道是哪個。

這種情況代表了一種我們對所發生事件的無知的狀態。 如果忽略環境,可以說最好的量子系統和測量儀器就是它們處於混合狀態,由密度矩陣描述。密度矩陣允許計算Dl單擊或D2單擊的概率。

在這種情況下,概率看起來像經典概率,因為它們基於我們的無知。與環境相互作用的過程稱為退相干,並且由此產生的密度矩陣可以讓計算出正確的概率,這使得物理學家認為退相干實際上導致了波函數的坍縮,從而解決了測量問題。雖然退相干說量子系統和測量儀器的組合演變,看起來像經典狀態的概率混合中的系統,但並沒有真正解釋為什麼。在宏觀世界中,當我們使用概率來討論系統的狀態時,這是因為我們無知,但系統仍然處於某種確定的狀態,沒有別的東西。

在量子世界中,使用密度矩陣計算的概率有些不同。看起來好像我們不知道確切的狀態。但與經典狀態不同,由密度矩陣描述的量子態不是一個確定的狀態。我們必須考慮與外部世界的糾纏來描述整個量子態,密度矩陣不會這樣做。

因此,由退相干理論非常接近於坍縮的解釋失敗了。在這一點上,哥本哈根解釋摒棄了這一點,而多世界解釋將之撿起起並隨之伴行。根據多世界理論,Dl和D2都點擊,每個都在他們自己的波函數分支中。這種點擊以及隨之而來的與當地環境的相互作用會導致糾纏和退相干。一旦退相干進入,兩個世界開始獨立演變,但仍然根據薛丁格方程。然而,波函數演化的兩個分支現在不可能重新組合。 附著在每個相干分支上的環境彼此正交,這意味著永遠不會有任何幹擾。

因此,從波函數的任何一個分支的角度來看,所有其他分支仍然存在,它們只是指數級很難找到。但是,假設沒有將探測器D1和D2放在從分束器出來的每條路徑的末端,從而避免了擦除。然後,原則上,可以通過在第二分束器處將兩個路徑組合在一起來重新組合兩個世界。它穿過第二個分束器,我們必須考慮到它經過兩條路徑,每條路徑都有不同的世界。

這讓人想起費曼解決雙縫實驗,或更普遍的量子力學的難題的方法。費曼提出量子力學的路徑積分公式。在這種方法中,接近雙縫的粒子仍然可以經典地處理,因為它穿過一個或另一個縫隙,但是為了計算它落在遠屏幕上特定位置的概率,必須讓它粒子從兩個狹縫到屏幕採取所有可能的路徑。這些路徑包括各種不符合經典意義的波形軌跡。這些路徑中的每一個都被賦予權重,該權重決定了它對最終概率的貢獻。

但是當這樣做時,又會受到幹擾。費曼認識到真正幹擾的是宇宙的兩種不同狀態。在最簡單的情況下,這兩種狀態可能只是單個粒子的位置不同。電子是上層路徑還是下層路徑?費曼的路徑積分方法是計算實驗結果概率的工具,但是多世界理論的方法更多地採用了宇宙中不同狀態的概念。這是多世界理論對雙縫的理解,其現實的看法看起來非常具有吸引力的地方。

可是,這必須付出沉重的心理代價:承認除了我們所處的宏觀世界之外,還有無數與此平行的世界。許多物理學家認為,比較起哥本哈根解釋更加困擾來,更願意被優美和雅致的數學推導所吸引。多世界理論具有如此數學上的肯定性與簡單性,只有波函數及其演化,沒有添加其它成分。可是,對於哲學家、認知科學家等來講,這種心理代價的付出太為沉重。

從1801年的楊氏雙縫實驗算起,對這個兩道縫所反映的奧秘,上下求索了200多年:前100多年是經典物理來探求,後100年交由量子物理來探究。至今沒有一個令人滿意、取得共識的答案。

有的物理學家,特別是有的量子物理學家,或即使沒有成家然而自認「專科」的,可能心裡頗不服氣:這不是已經解決好了嗎?這不是解決得都挺好嗎?實在是很遺憾,並未解決好,這是共識。

彭羅斯在不久前的採訪中關於這個奧秘如是說:「The trouble with quantum mechanics [is that]……it doesn't really make sense」,意思是說,當前量子力學的麻煩是對此奧秘的解說無能為力。彭羅斯寫了《真實之路:宇宙法則導引》(The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe)的一本1,099頁的長篇大作,目的在於尋求當代物理的真實之路在何方。

亞當-貝克爾(Adam Becker),天體物理學家、量子物理學家、一個年青有為的80後,在最近出版發表的暢銷書:《什麼是真實的?:量子物理意義的未完成探索》(What Is Real?:The Unfinished Quest for the Meaning of Quantum Physics)中,提醒我們:當我們調查解釋相同數據的無數解釋和敘述時,特別是在看似簡單然而奧秘的事實面前,對於有幸從事於這種探索的人來講,尤其是年青人,需要的是:謙虛。

相關焦點

  • 揭秘:世界上十大經典物理實驗之一的雙縫實驗
    雙縫實驗是一種光學實驗,卻有很多人說光縫實驗其實很恐怖,它讓人對世界上看到的東西現象都產生了懷疑。在量子力學裡,雙縫實驗是一種演示光子或電子等等微觀物體的波動性與粒子性的實驗。雙縫實驗是一種「雙路徑實驗」。在這種更廣義的實驗裡,微觀物體可以同時通過兩條路徑或通過其中任意一條路徑,從初始點抵達最終點。
  • 單縫雙縫的反光實驗
    相信愛好物理的人對單縫雙縫實驗並不陌生,今天我們要來做一個不一樣的單縫雙縫實驗。之前的單縫雙縫實驗,大家都是在關注透過單縫雙縫之後的光線,今天我要講的是沒有透過單縫雙縫的光線的狀態。我在這裡先告訴大家用雷射筆的實驗結果:前兩個實驗,都和光線透過單縫或者雙縫一樣的結果,仍然可見多行光點。實驗一:光線經過單縫或者雙縫,由玻璃反射回來的結果較為明顯。
  • 雙縫實驗:一個既簡單又複雜、既著名又基本的實驗
    在量子力學裡,雙縫實驗是一個極為基本而又相當著名的實驗,一個看起來既相當簡單然而又極為奧秘的實驗。雙縫實驗相當簡單,是指它的基本儀器設置和實驗結果很簡單,將光束照射於一塊刻有兩條狹縫的不透明板,通過狹縫的光束,會抵達照相膠片或某種探測屏,從記錄於照相膠片或某種探測屏的輻照度數據,以分析光的物理性質。
  • 雙縫實驗未解之謎
    但是我今天說的科學實驗不免有些詭異,那就是雙縫實驗。雙縫實驗最早是在1961年蒂賓根大學的克勞斯·約恩松突發奇想地進行了電子雙縫幹涉實驗,這是一種演示光子或電子等等微觀物體的波動性與粒子性的實驗。要了解雙縫實驗,我們先要了解粒子性與波動性,假設一把彩彈槍通過一條豎縫掃射打到牆上,牆上上一定會留下一條豎著的彩蛋印,而通過兩條豎縫掃射打到牆上,牆上一定會留下兩條彩蛋印,這就是簡單的粒子性
  • 顛覆三觀的雙縫幹涉實驗,最靈異的科學實驗
    為了找到真相大家決定做一個實驗,這個實驗就是轟動一時的雙縫幹涉實驗。1807年,託馬斯.楊總結出版了《自然哲學講義》,裡面第一次描述了雙縫實驗,顧名思義,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,他發現光會像水波紋一樣形成一道斑馬線,光從孔穿過之後互相影響,於是他得出光是具有波粒二象性的,實驗本身沒有什麼問題,但是科學家們想弄清楚為什麼會這樣。
  • 電子雙縫幹涉實驗,是1顆電子同時穿越2條縫
    著名實驗物理學家丁肇中教授的實驗結果表明,電子可以被放在能夠找到的任意小的能量陷阱之內。目前的實驗精度為10的-22次方米。所以對於電子的性質,我們只能做如下描述:量子力學裡面需要一個體積是0的電子,而實驗結果表明,在人類的探測精度範圍內,電子的體積趨向於無窮小。
  • 電子雙縫幹涉與延遲選擇實驗的可能原因分析
    (一)電子雙縫幹涉實驗的神奇之處。有人把電子雙縫幹涉實驗稱作十大經典物理實驗之首,認為電子雙縫幹涉實驗包括了量子力學最深刻的奧秘。那麼電子雙縫幹涉實驗究竟神奇在哪裡呢?1974年,科學家在雙縫實驗中將電子一粒一粒的發射出來,當第一個電子到達屏幕以後過一段時間再發射第二個電子,經過足夠長時間之後屏幕上依然出現了幹涉條紋。
  • 雙縫實驗中,電子真的會同時經過兩條縫嗎?
    不管你信不信,現在的情況就是這樣,各種實驗都證明疊加態確實存在╮(╯_╰)╭微觀領域表現疊加態的不單是一個雙縫實驗,量子糾纏實驗本身也是疊加態的有力證明,還有前段時間很火的量子計算機。。。。量子糾纏而雙縫幹涉就是量子疊加態的基本表現,電子波函數同時存在於各處,自然也同時經過兩個縫
  • 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。
  • 【奇聞異事】被稱為十大驚悚實驗之首的雙縫幹涉實驗,恐怖在哪?
    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。我來和大家梳理一下背景,雙縫實驗是指光通過木板的狹縫從而射在屏幕上,而深入到微觀領域,那就變成了電子雙縫實驗,電子是以波的形式運動,由於存在幹涉,穿過雙縫後會出現一道道痕跡。
  • 超級恐怖的雙縫幹涉實驗,世界是意識影響?
    雙縫實驗,著名光學實驗,在1807年,託馬斯·楊總結出版了他的《自然哲學講義》,裡面綜合整理了他在光學方面的工作,並在裡面第一次描述了雙縫實驗:把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前面,這樣就形成了一個點光源(從一個點發出的光源)。
  • 可怕,詭異,毀三觀的量子力學《電子雙縫幹涉實驗》打破因果論.
    在傳統哲學和經典物理學中,因果論幾乎成了大家公認的真理,世間的一切都按照特定的規律運行著,直到有一天,一片烏雲從遠方飄來(量子力學)從烏雲裡射出一道閃電,把我們的因果論擊的粉碎,那就是著名的《電子雙縫幹涉實驗》,這個實驗即可怕,又詭異,簡直毀人三觀。
  • 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
  • 科學小實驗:楊氏雙縫幹涉實驗
    再後來,又有人認為光還可能是一種波,因為科學家發現光線在經過兩條非常狹窄的縫隙的時候,它會變成好多條光線。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。
  • 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,
  • 「雙縫幹涉實驗」到底發現了什麼?真的讓科學家感到恐怖嗎?
    實際上,量子力學是人類了解宇宙底層邏輯的敲門磚,而雙縫幹涉實驗則是量子力學核心的顯現,下面聊聊雙縫幹涉實驗到底多「詭異」,揭示了宇宙哪些核心?。薛丁格的貓、上帝擲骰子、平行宇宙哪來的?由於量子太過抽象,因此我們把量子現象過渡薛丁格的貓,再回到雙縫幹涉實驗就容易理解了。這是薛丁格給我們理解量子力學的好例子。
  • 「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。
  • 物理學最詭異實驗—雙縫幹涉
    實驗非常簡單,在光源和接收屏之間放一個上面刻有兩個平行狹縫的隔板,結果在接收屏上出現了光的幹涉條紋。    牛頓把光解釋為粒子,給它賦予一個實在性更強的本性。在當時的物理學看來,粒子是物質實體,而波只是物質的運動方式,其本身不具有實在性。但,楊氏實驗則證明光是一種波,取消了光的實在性。    1905年,愛因斯坦的光電效應實驗及其光量子理論,又復活了光的粒子說。
  • 量子力學中最神奇的實驗,雙縫實驗為什麼讓科學家感到不安?
    對於該實驗,首先量子力學認為,光是由一份一份的光量子組成,每份的能量大小為E=hυ,其中h為普朗克常數,υ為光子的頻率。一束單色光穿過狹窄的單縫後再次穿過雙縫,就會在雙縫後面的屏幕上產生幹涉條紋;該實驗的神秘之處在於,如果我們一個一個地發射光子,也能得到幹涉條紋,甚至我們把光子換成電子,甚至是分子,也能得到幹涉條紋。
  • "雙縫幹涉"實驗,細思極恐
    「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。而當兩道縫時,神奇的事情出現了,屏幕上出現了兩道亮光柱和光柱斑馬線。