網(wǎng)上流傳著這樣一個(gè)關(guān)于量子力學(xué)的神話：我們的意識(shí)決定著微觀粒子的行為，甚至決定著物理世界的客觀現(xiàn)實(shí)。 這是真的嗎？ 本文將為您揭開(kāi)這個(gè)迷思，還原科學(xué)的本來(lái)面目。 這一切都始于一個(gè)實(shí)驗(yàn)。
起源——光的粒子論與波動(dòng)論之爭(zhēng)
自牛頓時(shí)代以來(lái)，光的本質(zhì)就在科學(xué)界引起爭(zhēng)議。 當(dāng)時(shí)科學(xué)界存在兩種完全不同的觀點(diǎn)。 一種觀點(diǎn)是牛頓認(rèn)為光是一種粒子，另一種觀點(diǎn)是胡克和惠更斯。 Si等人認(rèn)為光是波。 由于牛頓在物理學(xué)界的統(tǒng)治地位和威望，他的光粒子論蓋過(guò)了光的波動(dòng)論，成為此后百年科學(xué)界的主流觀點(diǎn)。
直到1801年，即牛頓《光學(xué)》出版一百年后，英國(guó)科學(xué)家托馬斯·楊通過(guò)實(shí)驗(yàn)扭轉(zhuǎn)了這一局面，使光的波動(dòng)論復(fù)活，甚至成為主流。 這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是雙縫干涉實(shí)驗(yàn)！
光波理論的有力證明——雙縫干涉實(shí)驗(yàn)
雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是由單縫衍射實(shí)驗(yàn)衍生而來(lái)的。 一束光穿過(guò)兩個(gè)非常靠近的狹縫后，投射到狹縫后面的屏幕上。 一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)光線通過(guò)垂直狹縫照射屏幕時(shí)，就會(huì)發(fā)生衍射——光線繞著障礙物彎曲和傳播的現(xiàn)象。 你在屏幕上看到的不是垂直的亮帶，而是水平的亮帶。 （如下圖上半部分）這種現(xiàn)象早在17世紀(jì)就被意大利耶穌會(huì)神父 Maria 發(fā)現(xiàn)，并將其命名為衍射。
當(dāng)兩條狹縫的亮帶在屏幕后面重疊時(shí)，理論上應(yīng)該會(huì)顯示出更亮的光帶雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，但神奇的事情發(fā)生了。 最終屏幕上顯示的是明暗條紋交替的條紋……（（如下圖下半部分所示）
這是一件很奇怪的事情，因?yàn)檫@些條紋的暗線中應(yīng)該有光，但是當(dāng)兩條狹縫發(fā)出的光重疊時(shí)，那些位置就沒(méi)有光了。 這種現(xiàn)象似乎是牛頓粒子理論無(wú)法解釋的。 托馬斯·楊受到水波干涉的啟發(fā)，提出光是一種波，深色圖案是由光波的干涉造成的。
光粒子的復(fù)活——愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)
人類(lèi)對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的革命永遠(yuǎn)是由極少數(shù)天才推動(dòng)的。 繼雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證明光的波動(dòng)論一百年后，一位天才再次刷新了人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)。 這位天才就是20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦。
1905年，剛剛獲得物理學(xué)博士學(xué)位、當(dāng)時(shí)還在專(zhuān)利局當(dāng)職員的愛(ài)因斯坦發(fā)表了一篇題為《關(guān)于光的發(fā)射和變換的啟發(fā)式觀點(diǎn)》的論文，以形式解釋了光電效應(yīng)的現(xiàn)象光作為能量量子，即光子。 。 這一開(kāi)創(chuàng)性的理論為他贏得了 1921 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
粒子與波的探索——單光子雙縫實(shí)驗(yàn)
光量子的提出復(fù)興了光粒子理論，但問(wèn)題出現(xiàn)了：光是粒子還是波？ 這兩種形式都有實(shí)驗(yàn)證據(jù)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，而且似乎都是正確的。 但問(wèn)題又出現(xiàn)了。 波和粒子是兩種完全不同的特性。 光在什么情況下會(huì)表現(xiàn)出波動(dòng)特性？ 什么情況下會(huì)出現(xiàn)粒子的特性？
光量子假說(shuō)提出四年后，英國(guó)物理學(xué)研究生杰弗里·泰勒設(shè)計(jì)了一個(gè)微光雙縫實(shí)驗(yàn)。 他利用黑化玻璃大幅降低光源的亮度，直到光源與屏幕之間達(dá)到理論上的平衡。 任何時(shí)刻最多有一個(gè)光子通過(guò)，然后用相機(jī)的感光膠片對(duì)光線進(jìn)行很長(zhǎng)時(shí)間的曝光，記錄下通過(guò)雙縫的光線。
當(dāng)照片沖洗出來(lái)時(shí)，神奇的一幕出現(xiàn)了。 即使光子一一通過(guò)雙縫，最終曝光的照片中仍然出現(xiàn)清晰的明暗干涉條紋。
這意味著即使只有一個(gè)光子通過(guò)雙縫，仍然會(huì)發(fā)生干涉。 那么光子會(huì)干擾誰(shuí)呢？ 似乎只有一種解釋?zhuān)汗庾痈蓴_了自身。
奇怪的物理——光的波粒二象性
這個(gè)問(wèn)題直到10多年后才被法國(guó)科學(xué)家德布羅意解決。 他在物理學(xué)博士論文中提出了波粒二象性。 他指出，不僅光子，所有微觀粒子也都具有波特性，他稱(chēng)之為物質(zhì)波。 物質(zhì)波理論預(yù)測(cè)，單個(gè)電子通過(guò)雙縫也會(huì)產(chǎn)生干涉條紋。
光波什么時(shí)候變成粒子？
確定了光的波粒二象性后，一個(gè)問(wèn)題擺在科學(xué)家面前：光波什么時(shí)候變成粒子的？
一個(gè)明顯的事實(shí)是：在所有的實(shí)驗(yàn)中，光最終都以粒子的形式出現(xiàn)！ 例如，當(dāng)光電效應(yīng)中電子被噴射出來(lái)時(shí)，曝光不足的照片中會(huì)出現(xiàn)一些零星的光點(diǎn)，所以答案很明顯：光在觀察時(shí)是一種粒子。 換句話說(shuō)，觀察使波變成粒子？ 如果測(cè)量發(fā)生得更早怎么辦？ 科學(xué)家決定升級(jí)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)——測(cè)量粒子穿過(guò)哪條縫。
科普書(shū)中的神話——只要一看，干涉條紋就消失了……
許多人都將科普利對(duì)雙縫干涉觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的描述視為一個(gè)近乎神話的故事。 有些故事是用相機(jī)拍攝的，有些則是直接用眼睛看到的。 這些描述顯然不是事實(shí)，而只是一些虛構(gòu)的思想實(shí)驗(yàn)。 現(xiàn)在看來(lái)，這些思想實(shí)驗(yàn)具有極大的誤導(dǎo)性。
直接觀察不會(huì)導(dǎo)致干涉條紋消失！ 用眼睛看還是用相機(jī)拍都沒(méi)關(guān)系！
揭秘——觀察引起的干涉條紋并不奇怪
與很多人想象的相反，科學(xué)家們其實(shí)并不是被觀察到干擾后消失的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所嚇倒，而是這個(gè)結(jié)果是他們?cè)缇皖A(yù)料到的。 科學(xué)家實(shí)際上做的不是觀察，而是測(cè)量！
他們想要測(cè)量顆粒穿過(guò)哪個(gè)狹縫，以及如何測(cè)量？ 以光子為例。 沒(méi)有辦法從側(cè)面看到光子而不干擾它們，所以測(cè)量它們的方法實(shí)際上是讓光子只通過(guò)其中一個(gè)狹縫……例如，在其中一個(gè)狹縫上放置一個(gè)垂直偏振器。 ，這樣所有水平偏振的光子都不能通過(guò)這個(gè)狹縫……
如果你足夠聰明，能看到這一點(diǎn)，那么你一定發(fā)現(xiàn)了一些棘手的事情。 這是否意味著光線只能通過(guò)其中一條裂縫？ 這不是相當(dāng)于過(guò)了一縫嗎？ 我們之前說(shuō)過(guò)物理資源網(wǎng)，光子會(huì)互相干擾。 既然光子只能通過(guò)其中一個(gè)狹縫，那么它們還會(huì)干擾誰(shuí)呢？ ……
到底有什么奇怪的？
綜上所述，干涉條紋因觀察而消失并不奇怪，但這并不意味著量子力學(xué)不奇怪！ 量子力學(xué)真正的詭異之處在于微觀粒子在被觀察之前所處的“波”態(tài)！ 這種波的狀態(tài)稱(chēng)為疊加態(tài)。 量子力學(xué)真正奇怪的部分就在于這種疊加態(tài)！ 但這已不再是本文的討論范圍。 以后有機(jī)會(huì)我們?cè)僦v疊加態(tài)。