電子雙縫干涉實驗,堪稱人類物理學史上最偉大的實驗之一,也是讓物理學家們最頭疼的實驗,實驗過程和結果如此詭異,以至於讓物理學家們開始懷疑世界的真實客觀性。
實驗過程就不再詳述了,想必大家都有所瞭解,這裡劃重點來講述。實驗的核心就在於“觀察者效應”。
什麼是“觀察者效應”呢?具體來講就是,當我們不觀測時,電子會以波的形式穿過兩條狹縫,而當我們觀測時,電子就會以粒子的形式穿過狹縫。
也就是說,觀測與否會影響到電子呈現的狀態:不觀測時,電子錶現出模糊的波動狀態,而觀測時,電子錶現出確定的粒子狀態。
往深了講,世界到底呈現何種模樣,取決於我們是否觀測。顯然這大大違背了我們的固有認知:世界是客觀存在的。無論我們觀測與否,世界就是本來那個樣子。
就像愛因斯坦曾經提出這樣的質疑:當我們不看月亮時,難道月亮就不在那裡嗎?
很顯然,電子雙縫干涉實驗完全顛覆了人類的固有認知,但這僅僅只是開始,在之後物理學家們對實驗進行不斷改良過程中的發現,才真正顛覆了人們的三觀。
第一次改良:物理學家們想看看電子到底是如何同時穿過兩條狹縫的,於是在狹縫旁邊安裝了探測器進行觀測。這裡有必要強調一下,並不是我們日常生活中經常看到的監控探測器,而是一個通電線圈,大家知道就可以了,總之物理學家們有的是辦法獲取電子的路徑資訊。
但是不看不要緊,看了之後物理學家們 更是一頭霧水:他們並沒有看到電子同時穿過兩條狹縫,而是乖乖地穿過其中一條狹縫,而電子接收屏上的干涉條紋也隨之消失了。這意味著在物理學家們觀測電子時,電子不再表現為波動性,而是粒子性。
很顯然,物理學家們的觀測行為改變了電子的狀態。物理學術語來講就是,觀測導致電子的“波函式坍縮”,從波動狀態坍縮為粒子狀態。
電子就好像擁有意識一樣,好像早就知道物理學家們準備幹什麼,並隨時做出一定的反應來應對物理學家們的觀測。
第二次改良:物理學家們不再直接觀測電子是如何透過兩條狹縫的,擔心這樣真的會影響電子的狀態,而是等到電子穿過兩條狹縫後,再進行觀測。這就是延遲實驗
但是,電子仍舊錶現出了粒子狀態,原來明暗相間的干涉條紋仍舊消失不見了。
物理學家們開始懷疑人生了:明明電子已經穿過狹縫了,按理說該是什麼狀態就是什麼狀態,人們不可能再去改變電子穿越狹縫的行為,為什麼原來的干涉條紋也會消失呢?
物理學家們不甘心接受如此“喪心病狂”的結果,他們都是極具智慧的群體,於是又對實驗進行了改良,這次改良徹底改變了觀測行為對粒子的影響。
第三次改良:物理學家們懷疑前兩次實驗或許觀測行為多多少少都會影響到電子,那麼有沒有什麼方法在觀測的同時,不會影響到電子的狀態呢?
物理學家們還真的想出了一個辦法:利用詭異的量子糾纏原理。具體怎麼操作的呢?
過程有些複雜,這裡就以通俗的方式來長話短說。一對糾纏中的電子經過處理後,分別朝著兩個不同的方向飛行,方便起見,把兩個電子分別命名為甲和乙。
甲和乙運動一定距離後到達接收電子的螢幕,不過兩個電子運動的距離並不一樣,甲運動的距離短,而乙運動的距離稍長。
如此一來,甲就會率先到達接受螢幕,在螢幕上形成干涉條紋,當然需要多個電子才可以。而乙到達螢幕的時間會晚一些。
物理學家們是這樣操作的,在甲到達接收螢幕形成干涉條紋之後,而乙還沒有到達螢幕之前,對電子乙進行觀測,他們發現電子甲原本已經形成的干涉條紋竟然也會神奇消失!
這太不可思議了,你知道這意味著什麼嗎?
意味著物理學家們改變了原本已經發生的事情,因果律就這樣被打破了!
同時,物理學家們並沒有直接觀測電子甲,只是觀測了與甲相互糾纏的電子乙,但即便這樣,也會影響電子甲的行為。
而且在物理學家們不再觀測電子乙時,電子甲原來的干涉條紋又重現了。
這次改良實驗就是傳說中的“量子擦除實驗”,完全顛覆了人們固有印象裡的因果律,未來竟然可以影響過去!
面對這樣的結果,物理學家們真的不知所措了,他們開始懷疑現實是否真的客觀存在,因果律是否在任何時候都成立?這個世界的存在難道真的是因為我們的觀測行為嗎?
看到了吧,這就是讓所有人都瘋狂的電子雙縫干涉實驗!
但瘋狂歸瘋狂,物理學家們必須給出相應的解釋,不管解釋本身能不能讓人信服,總得有解釋吧。
當然,對於如此瘋狂的實驗,科學界有很多種解釋,不過比較正統的解釋還是哥本哈根詮釋,被主流物理學界所接受。
哥本哈根詮釋的核心就是不確定性,或者說“疊加態”,任何微觀粒子都具有不確定性,都處於不同的疊加態,而這種不確定性和疊加態才是量子世界的本質。
什麼意思呢?
通俗來講就是微觀粒子都具有“波粒二象性”,既可以表現出粒子特性,也可以表現出波動性,具體表現出什麼特性取決於我們是否觀測,觀測了就是粒子性,不觀測就表現為波動性。
但其實“波粒二象性”的解釋更多的是物理學家們的無奈之舉,或者說中庸之道,說點不好聽的就是“人類很無知”,我們並不知道微觀粒子為什麼具有“波粒二象性”,只是根據微觀粒子的具體表現結果來倒推出“波粒二象性”的結論。
也可以這樣通俗理解,光子,電子等微觀粒子本質上就是波,而不是粒子,理論上它們無處不在,甚至可以隨機出現在宇宙中的每個角落。而當我們進行觀測時,光子和電子等微觀粒子只是恰好出現在了我們觀測的地方,讓我們感覺到微觀粒子就在那裡,讓我們看到微觀粒子的粒子特性而不是波動性,而這,就是“波函式坍縮”。
由於波這種東西就是無處不在,所以,無論我們看向哪裡,都會看到波出現在我們觀測的地方!但為什麼本來是波的微觀粒子為什麼會因為我們的觀測,瞬間就坍縮為粒子呢?
這種“波函式坍縮”的解釋其實也是“馬後炮”,正如“波粒二象性”一樣。其實物理學家們並不知道為什麼會出現“波函式坍縮”,只是根據觀察結果推匯出了“波函式坍縮”這樣的結論,去解釋微觀粒子的詭異行為。
說白了,所謂的“波函式坍縮”也只是假設,當然也可以認為是公理,公理的東西就無需解釋,就是那樣的。就像“兩點之間線段最短”這個公理一樣,這個公理就不需要解釋,因為人們觀察到的結果就是那樣的。
結論
其實物理學家們早就確定量子世界裡的詭異現象真的存在,比如說不確定性,疊加態,量子糾纏,量子隧穿效應等,並且早就利用這些詭異特性為人們所用,比如說,電晶體,超導材料,量子通訊,量子計算機,鐳射,電子顯微鏡等產品都含有量子科技。
雖然物理學家們並不知道量子世界詭異現象的底層邏輯到底是什麼,但確實知道那些詭異現象真的存在,並能夠利用那些詭異現象為人類所用。
同時,物理學家們也並沒有放棄尋找量子世界詭異現象的“底層邏輯”,因為他們堅信,那裡一定隱藏著更深層的宇宙奧秘!