毫不夸張地說,物理學(xué)上曾出現(xiàn)過一次駭人聽聞的“靈異事件”,它就是“電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”,這個實(shí)驗(yàn)把量子世界和量子力學(xué)的詭異性表現(xiàn)得淋漓盡致,可以說完全毀了我們的三觀。
在我們的現(xiàn)實(shí)世界里,萬物都是確定的,都是可描述的,也是可預(yù)測的,這就是愛因斯坦的“決定論”,我們可以根據(jù)現(xiàn)有大自然法則來描述現(xiàn)有事物,并預(yù)測未來發(fā)生的事情。
上述觀點(diǎn)也是人們普遍擁有的世界觀,畢竟我們每天都能感受到。但這一切都因?yàn)槟莻€“靈異事件”而被打破了。
下面就說說恐怖的電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)做過不止一次,而且內(nèi)容會稍有不同,各種升級版不斷涌現(xiàn)。
首先是最普通的雙縫實(shí)驗(yàn),用的是光而不是電子。實(shí)驗(yàn)過程非常簡單,一個擋板,擋板上有兩條狹縫,擋板后面是屏幕。
向擋板發(fā)射光,大部分光會被擋板擋住,光線只能通過兩條狹縫。如果光是粒子,屏幕上就會出現(xiàn)兩道杠(條紋)。如果光是波,則會出現(xiàn)多條杠,也就是干涉條紋。
這也是關(guān)于“光到底是粒子還是波?”最好的實(shí)驗(yàn)證明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示是干涉條紋,很明顯光是波(后來還有“光也是粒子”的證明,這里就不詳述了,不是問題的重點(diǎn))。
接下來是升級實(shí)驗(yàn)。重復(fù)做上述實(shí)驗(yàn),只不過發(fā)射光時是一個一個發(fā)射的,也就是說每次只發(fā)射一個光子(不要糾結(jié)如何發(fā)射,科學(xué)家們有辦法,無須我們操心)。
一開始屏幕上出現(xiàn)雜亂無章的亮點(diǎn),但隨著光子數(shù)量不斷增多,神奇的畫面出現(xiàn)了,屏幕上仍舊呈現(xiàn)出干涉條紋。
問題來了,如果想要出現(xiàn)干涉條紋,必須有波進(jìn)行干涉,但之前科學(xué)家是一個一個地發(fā)射光子,單個光子通過狹縫時,只能從其中一條狹縫通過。
那么,單個光子如何發(fā)生干涉呢?和誰發(fā)生干涉?難道單個光子同時通過了兩條狹縫,然后自己與自己發(fā)生了干涉?從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,單個光子必須同時通過兩條狹縫然后與自己發(fā)生干涉!但這怎么可能?
為了解釋這個問題,實(shí)驗(yàn)再次升級?
科學(xué)家在狹縫的旁邊安裝了攝像頭(探測器),想看看單個光子到底是如何通過狹縫的。這次用的不再是光子,而是電子,因?yàn)榭茖W(xué)家很難直接觀測到光子。
探測的結(jié)果并沒有嚇到我們:電子并沒有同時通過兩條狹縫,只從其中一條狹縫通過。這時候科學(xué)家都松了一口氣:還好沒有通過通過兩條狹縫!
但事情遠(yuǎn)沒有結(jié)束,更恐怖的還在后面。
在科學(xué)家進(jìn)行探測的時候,屏幕上的干涉條紋居然消失了,變成了兩條杠。而當(dāng)科學(xué)家不進(jìn)行觀測時,屏幕上的干涉條紋再次出現(xiàn)!這說明人們的探測行為改變了電子原來的狀態(tài),影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
電子似乎知道科學(xué)家什么時候進(jìn)行觀測,只要一觀測干涉條紋就消失,不觀測就出現(xiàn)。
以波爾為首的哥本哈根學(xué)派給出了解釋,也就是哥本哈根詮釋。
按照這個詮釋,電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)包含了量子力學(xué)的三大規(guī)律:不確定性,疊加態(tài)還有觀測行為。
疊加態(tài)是微觀粒子的本質(zhì)屬性,任何微觀粒子都處于一種疊加的混沌狀態(tài),就像光子既是粒子也是波那樣,事實(shí)上,不僅僅是光子,電子也具有如此特性,既是粒子也是波,具有波粒二象性。
這種疊加態(tài)就意味著電子可以同時穿過兩條狹縫(處于通過穿過兩條狹縫的疊加態(tài)),然后自己與自己發(fā)生干涉。
而不確定性強(qiáng)調(diào),當(dāng)我們發(fā)射電子時,根本無法確定電子到底會到達(dá)屏幕的哪個位置,只能用概率去描述,比如說在某個位置的概率是多少。
還有一點(diǎn)就是觀測行為,任何觀測行為都會讓微觀粒子的疊加態(tài)和不確定性發(fā)生坍縮(波函數(shù)坍縮),從不確定的混沌狀態(tài)變?yōu)榇_定狀態(tài),這也是干涉條紋消失的原因。
那么觀測為何會讓微觀粒子發(fā)生坍縮,變成確定狀態(tài)呢?
我們需要明白,到底何為觀測?
任何觀測,不管是直接用眼睛還是電子設(shè)備,都離不開光子,我們必須通過光子與被觀測物體發(fā)生作用,才能接收到被觀測物體的相關(guān)信息。
這種相互作用就會使得被觀測物體(比如說電子)變成確定狀態(tài)。說白了,觀測行為其實(shí)也是量子行為。觀測影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不是有些人所說的“人類意識影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果”!