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深層剖析:電子雙縫干涉實驗結果讓人“毛骨悚然”,究竟驚悚在哪兒?

更新時間:2023-10-23 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

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雙縫干涉實驗所顯示下來的結果是20世紀科學家集體遭受的一次“靈異風波”,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、觀察者效應凸顯的淋漓盡致。bi3物理好資源網(原物理ok網)

而這三個現象有是這么的燒腦、違反直覺、毀人三觀,所以我們常說雙縫干涉實驗的結果讓人感覺脖子發涼,有這么一點“恐怖”的覺得。bi3物理好資源網(原物理ok網)

我們人類作為一個宏觀世界的一部份,在量子熱學出現之前我們的科學認知都是構建在現實的確定性之上的,我們科學理論可以完美的解釋和預測宇宙中的任何現象。bi3物理好資源網(原物理ok網)

比如,通過牛頓熱學我們可以確切的預測一個事物未來的發展動向,前提是只要曉得這個事物初始的狀態,以及它未來所經歷的互相作用。bi3物理好資源網(原物理ok網)

1846年,我們更是借助數學和物理預測的方法確切的發覺了海王星的位置,可以說這是人類宏觀世界科學的一次偉大勝利。bi3物理好資源網(原物理ok網)

毫不夸張的說,假如有一臺超級強悍的計算機,它可以依照已有的理論預測出宇宙中所有事物的未來,這就是現實世界的確定性,以及可預測性。bi3物理好資源網(原物理ok網)

這不僅僅是我們普通人心里的世界觀,也是20世界大部份科學家的世界觀,愛因斯坦也不例外。并且這一切都被一場數學學的“靈異風波”打破了。bi3物理好資源網(原物理ok網)

是波還是粒子bi3物理好資源網(原物理ok網)

微觀世界的尺度特別小,都是些原子、電子之類的小玩意兒,這種東西除了在生活中看不到,就連科學家也仍然被擋在門外,我們真正了解原子、建立模型也就是上個世紀的事。bi3物理好資源網(原物理ok網)

并且有一個粒子常常在我們眼前晃來晃去,可以說晃了數百萬年,那時我們還是樹上的猴子,它就是光子!bi3物理好資源網(原物理ok網)

盡管光子很常見,然而關于光是哪些?這個問題人類是想了幾千年,直至17世紀牛頓大嬸才說光是微粒,是一種實物粒子。bi3物理好資源網(原物理ok網)

不過當時就有人提出反對意見覺得光是波,由于身為粒子的光難以解釋光的衍射現象,但是假如光是微粒的話為何我們看不見兩束光發生碰撞呢?這個人就是惠更斯。bi3物理好資源網(原物理ok網)

因為惠更斯并拿不出任何實驗證據,再加之牛頓學霸當時在科學家的聲望極高,所以光是微粒就得到人們的認可。bi3物理好資源網(原物理ok網)

這么關于光究竟是哪些?就在科學界產生了兩個不同的派系:波派和粒派!bi3物理好資源網(原物理ok網)

粒派所覺得的粒子,我們可以將其想像成為一個個光滑的小球,它們遵守實物粒子的運動規律。也就是說,當你打開手探照燈的剎那間既有無數顆光顆粒向子彈一個順著直線向外狂奔。bi3物理好資源網(原物理ok網)

不僅牛頓之前所說的實物顆粒,普朗克和愛因斯坦后來也覺得光是一種粒子,稱為光量子雙縫干涉實驗視頻,這個光量子和牛頓的微粒有著本質的區別。量子是一份一份不可分割、且不連續的能量。bi3物理好資源網(原物理ok網)

波派所覺得的波,就類似于我們生活中常見的水波,有波峰、波谷,可以完美的解釋光的衍射和干涉現象。bi3物理好資源網(原物理ok網)

可問題是波和粒子是完全不同的東西,在現實生活中我們看見的事物它是實物粒子就是實物粒子,它是波就是波,不可能存在兩面性,我們也難以理解雖然波又是粒子的事物。bi3物理好資源網(原物理ok網)

雙縫干涉實驗視頻_雙縫干涉實驗視頻_雙縫干涉實驗視頻bi3物理好資源網(原物理ok網)

硬幣不是正面就是背面,不可能有雖然正面又是背面的硬幣,事物不是黑就是白,這就是現實的確定性。所以波派和粒派就持續罵戰了百年,不分勝負。bi3物理好資源網(原物理ok網)

靈異實驗:雙縫干涉bi3物理好資源網(原物理ok網)

其實微觀世界有它自己的本質,其實它真的跟宏觀世界不一樣,其實宇宙真的須要兩套不同的理論去解釋,也是事物真的存在兩面性,也就是波粒二象性,而我們只是各執一詞、盲人摸象罷了。bi3物理好資源網(原物理ok網)

這么光究竟是哪些?科學家決定做一個實驗,這個實驗可以完美偵測波和粒子的不同特點。雙縫干涉實驗似乎非常簡單,就是在光源和偵測屏幕之間放一個開了兩個狹縫的擋板。bi3物理好資源網(原物理ok網)

之后用光源向擋板啪啪啪發射光子,之后觀察屏幕上的呈現。這個實驗無外乎兩種可能:bi3物理好資源網(原物理ok網)

光就是粒子,就是我們所說的實物小球,或則是生活中的沙子、子彈,當光經過中間的擋板時,大部份的光會被封住,只有兩條狹縫可以容許光通過,但是光在屏幕上留下兩道杠。這就是粒子運動的典型特點。bi3物理好資源網(原物理ok網)

光是波,它可以像水波那樣在經過兩條狹縫之后發生干涉,波峰和波峰疊加,波谷和波谷疊加,波峰和波谷抵消,最后在屏幕上留下干涉白色,看上去好似是斑馬線。bi3物理好資源網(原物理ok網)

第一次實驗,我們對準雙峰發射光束,實驗的結果是在屏幕上形成了疏密相間的干涉白色。這無疑說明,光確實是一種波,可以發生干涉。bi3物理好資源網(原物理ok網)

這是否就說明波派勝利了?雖然不然,里面你是發射的光束,你能不能改成一個個光子來發射。也就是我們上文說的光量子。粒派覺得這樣鐵定是兩道杠!bi3物理好資源網(原物理ok網)

第二次實驗:重復做上述過程,一個一個發射光子,原本因為光子的數目甚少,在屏幕上出現了零亂無章的紋樣,然而當光子數目增多時,神奇的事情發生了,屏幕上開始顯示出了干涉白色!bi3物理好資源網(原物理ok網)

到這兒先不談波粒之間的競爭,由于出現了一個全新的問題,我們曉得要想形成干涉白色,必須得有兩個波進行干涉,這就是為何要開雙峰的誘因,但縫的話任何波都不會形成斑馬線。bi3物理好資源網(原物理ok網)

并且一個一個發射光子,單個光子要么經過右狹縫、要么經過左狹縫,單個光子在和誰發生干涉?莫非它同時經過了雙縫,而且和自己發生了關系?所以說波粒之爭的事情在雙縫實驗上顯得越來越復雜了。bi3物理好資源網(原物理ok網)

怎么解決這個問題?科學家想到了一個辦法,我們可以在左右狹縫后加上光電偵測器,來看一下單個光子究竟是通過了哪條狹縫,還是它會分身分別經過了兩條狹縫?bi3物理好資源網(原物理ok網)

這兒須要注明一點:觀察粒子經過哪條狹縫這個實驗,歷史上使用的是電子而不是光子,由于我們可以向電子發射光子來進行偵測它究竟經過了那個狹縫,而光子本身我們沒法去偵測,所以使用光子的實驗我們本身也做不下來,不過這不影響我們的思想實驗。bi3物理好資源網(原物理ok網)

第三次實驗:還是以掃射的形式發射光子,偵測的結果是,光子要么經過左狹縫,要么經過右狹縫,并沒有分身,也沒有同時經過兩個狹縫,光子還是一個一個的粒子。bi3物理好資源網(原物理ok網)

這時波派和粒派都松了一口氣,這說明光子具有波粒二象性(雖然粒子的性質也在光電效應上得到了否認),它雖然波也是粒子,處在兩種狀態的疊加態,微觀世界還真是奇特,粒子處在混沌的兩面性。bi3物理好資源網(原物理ok網)

并且到這兒真正刷新人們三觀的靈異風波發生了。bi3物理好資源網(原物理ok網)

我們不就是偵測了一下光子究竟經過了那個狹縫,竟然引起了屏幕上的干涉白色消失了,弄成兩道杠。這說明我們的觀測行為引起了光子的狀態發生了改變。bi3物理好資源網(原物理ok網)

這也意味著我們的觀測行為,影響了結果。這聽上去非常的玄學,莫非我們看不看一個事物就能改變它的最終狀態。bi3物理好資源網(原物理ok網)

觀察者效應bi3物理好資源網(原物理ok網)

微觀世界其實離我們很遠,我們難以感受到這件事道理靈異到了那里。下邊我就舉個宏觀世界的反例。籃球這項運動看過吧。bi3物理好資源網(原物理ok網)

網球運動員射球的剎那間這個球進不進和籃球當時所處的位置、運動員加碼的大小和位置、風速等等這種化學誘因有關,只要經過足夠精細的科學剖析,我們才能判定出這個球究竟能不能進。bi3物理好資源網(原物理ok網)

然而惟獨沒有關系的就是你當時有沒有看這場賽事,你看與不看都不阻礙球是否能進。并且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。bi3物理好資源網(原物理ok網)

這簡直令人發瘋,不可思議。尤其是當有些人給觀察者這件事上加入了人類的意識之后,整件事情就顯得愈發的奇特了。bi3物理好資源網(原物理ok網)

被搬倒了幾千年的唯物主義差點復活。人類的意識可以改變宇宙的狀態。bi3物理好資源網(原物理ok網)

以上的實驗都是在光子經過雙縫的時侯我們對其進行了觀測,造成了光子的疊加態坍縮到了單一的量子態,表現出了粒子的特點。bi3物理好資源網(原物理ok網)

這么我們此次讓光子首先經過雙縫,在它經過雙縫的時侯應當會保持原有的疊加狀態,我們這時在以特別快的速率加上偵測器,這么結果會如何樣?bi3物理好資源網(原物理ok網)

不論我們加上偵測器的速率有多快干涉白色就會消失。反過來,一開始有偵測器,只要在最后的剎那間撤除偵測器,干涉白色都會出現。bi3物理好資源網(原物理ok網)

此次實驗類似于惠勒的延后選擇實驗,光子其實是事先早已曉得了我們要對它進行偵測,在經過雙縫時就表現出了粒子的特點造成干涉白色消失。而我們只要停止觀測雙縫干涉實驗視頻,光子在雙縫處又開始與自己發生干涉。bi3物理好資源網(原物理ok網)

反過來說,我們未來的選擇,決定了光子最初的狀態!由于光子作出選擇在先,我們觀測在后。bi3物理好資源網(原物理ok網)

在微觀世界中,因果律其實也喪失了作用。這就是量子熱學的世界,這就是微觀世界的奇特和驚悚之處。bi3物理好資源網(原物理ok網)

赫爾辛基演繹bi3物理好資源網(原物理ok網)

雙縫干涉實驗包含了量子熱學中的三大基本原則:疊加態、不確定性、觀察者。bi3物理好資源網(原物理ok網)

疊加態是微觀粒子的本質,一個粒子可以處在不同狀態的混沌態,它具有多面性。以光子來說它就是波粒二象性。一個光子可以同時處在左縫和右縫這兩種路徑的疊加態中,可以同時穿過兩條狹縫,并于自己發生干涉。bi3物理好資源網(原物理ok網)

不確定性原理,俗稱為測不準原理,在微觀世界中我們宏觀世界中科學確切的預測性完全不起作用,微觀粒子的行為只滿足機率統計,我們不能確切的同時曉得一個粒子的位置和動量。bi3物理好資源網(原物理ok網)

這兩個化學量的檢測偏差的乘積一定小于某個值,也就是說,假如我們確切的曉得了一個粒子的位置,這么它的動量可能會是0到無窮大,顯得非常不確定。bi3物理好資源網(原物理ok網)

而在單個發射光子的時侯,這個光子究竟會落在屏幕的哪個位置,我們難以確切的曉得,只能說出它出現在某個位置的機率是多少。這一點和宏觀世界有著本質的區別,須要用不同的理論去解釋。bi3物理好資源網(原物理ok網)

檢測這件事會造成微觀粒子的波函數發生坍縮,也就是從混沌的疊加態轉變為確定的狀態,比如,我們對光子(電子)的觀測就引起了光子從疊加態坍縮到了粒子態。這樣也會造成光子不能神奇同時處在兩個路徑的疊加態中,只能選擇一個單一的狹縫經過,進而造成干涉白色消失。bi3物理好資源網(原物理ok網)

這么這跟人類的觀察有何關系?bi3物理好資源網(原物理ok網)

觀察這個行為確是具有人為的誘因,據說是人的誘因引起了量子態發生坍縮,致使了結果發生改變,甚至造成未來決定過去。bi3物理好資源網(原物理ok網)

然而觀察這些行為是如何發生的呢?上文我早已提過,歷史上對雙縫實驗的觀察我們難以用光子做下來,而使用的是電子,由于在我們觀察的時侯,我們要想獲得粒子的信息,就必需要使用另外一個粒子和其發生互相作用,來反饋給我們。bi3物理好資源網(原物理ok網)

你想一下我們怎么去觀察電子?是不是要向電子發射一定能量的光子,當光子在被反射回去時,我們才會曉得電子的狀態。bi3物理好資源網(原物理ok網)

沒有這些交互作用,也就沒有所謂的觀察!并且這個檢測的過程都會造成電子的狀態被限制單一的狀態中,換句話說,當電子穿過狹縫時,我們逼迫電子與光子發生互相作用,正是這個過程造成電子波函數的坍縮。bi3物理好資源網(原物理ok網)

所以說觀察行為也是一種量子行為。跟人類的意識沒有任何關系。bi3物理好資源網(原物理ok網)

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