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颠覆认知与世界观的量子力学实验
发布时间:2020-07-01    信息来源:互联网 

在单粒子双缝实验中,人类得到了历史上最奇怪的实验结果。它是对于符合物理直觉的宏观世界截然不同的量子世界的一种惊人阐释。事实上,这个实验表明现实的本质可能完全不是物质的。

一只小黄鸭在水池里上下摆动,会引发周期性的涟漪向外散去。一段距离外,波纹碰上了一道中间切有两条缝的障碍物,大部分的波被挡住,但缝隙处有波纹穿过。当新波纹开始相互叠加,就会形成“干涉图”。这是因为在某些地方,一个缝隙波纹的波峰刚好在另一个缝隙波纹的波峰上,导致更剧烈的高峰,同时也会出现两个波谷叠加形成更剧烈的下沉,这种现象叫做“相长干涉”。当一个波的波峰与另一个波的波谷相遇时,它们相互抵消,水面平齐,这是“相消干涉”。

任何类型的波都会产生相似的干涉图,除了水波还有声波、光波。托马斯·杨在1801年首次观察到了光的双缝干涉。一束光经过两条很窄的缝隙后产生了数条明暗条纹。现在我们知道光是一种电磁波,所以产生干涉条纹再正常不过了、但是我们也知道光是由叫做“光子”的不可分割的一小束电磁能量组成,所以每个光子都是一小段电磁场中的波。这说明每个光子必须决定要穿过哪个缝隙,光子无法分成两半然后在缝隙后合成。

现在,我们将看到所有物理学中最疯狂的实验结果之一。就是在每次只发射一个光子的情况下,干涉条纹依然会出现,这是许多完全不相关的光子的最终位置分布。

为什么会这样?每个光子都不知道上一个光子的落点,也不知道下一个光子会落在哪,然而每个光子在落向屏幕时都知道哪个区域是最可能的落点(相长干涉区域),或者最不可能的落点(相消干涉区域),它知道平均穿过两缝的波的干涉条纹。并且,光子并不是唯一这样做的粒子,发射单个电子穿过一对缝隙,在发射足够多的电子后,同样会形成干涉条纹,甚至整个原子、分子也能观察到这一奇怪的现象。

我们必须承认,光子、电子或者原子分子等都是以某种波穿过两个缝隙的,这种波之后又与其自身相干涉形成了干涉条纹。只不过这里图案的峰值表示粒子会有更大可能性出现的区域。实际上,一些量子属性,比如动量,能量和旋向都在不同情况下表现出类似的波的特性。我们把这种属性的类波分布的数学描述称作“波函数”,粒子同时具有波和物质的特性叫做“波粒二象性”。

多种量子力学诠释在试图解答这种现象。海森堡和波尔他们支持的诠释即哥本哈根诠释认为波函数没有物理本质,而是由纯概率组成。这说明双缝实验中的粒子,只是一种包含最终所有可能路径的波的存在,只有在粒子被探测时,其位置和所走的路径才被决定。哥本哈根诠释把这种可能性与确定性间的转换称作“波函数坍缩”。

这就像是说宇宙允许所有可能性同时存在,但不到最后的瞬间它不会选择什么是真实发生的。更诡异的是,这些不同可能的现实,会与其自身相互作用。这种作用使得某些“现实”出现的几率增加。干涉条纹正是这些可能现实间相互作用的结果。

量子力学理论对现实的预言惊人的准确,且与哥本哈根诠释也相一致,但这并不是唯一成立的诠释,也有给了波函数物理实体的其他诠释。

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