毫不夸張地說,物理學上曾出現過一次駭人聽聞的“靈異事件”,它就是“電子雙縫干涉實驗”,這個實驗把量子世界和量子力學的詭異性表現得淋漓盡致,可以說完全毀了我們的三觀。
在我們的現實世界里,萬物都是確定的,都是可描述的,也是可預測的,這就是愛因斯坦的“決定論”,我們可以根據現有大自然法則來描述現有事物,并預測未來發生的事情。
上述觀點也是人們普遍擁有的世界觀,畢竟我們每天都能感受到。但這一切都因為那個“靈異事件”而被打破了。
下面就說說恐怖的電子雙縫干涉實驗,該實驗做過不止一次,而且內容會稍有不同,各種升級版不斷涌現。
首先是最普通的雙縫實驗,用的是光而不是電子。實驗過程非常簡單,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,屏幕上就會出現兩道杠(條紋)。如果光是波,則會出現多條杠,也就是干涉條紋。
這也是關于“光到底是粒子還是波?”最好的實驗證明。實驗結果顯示是干涉條紋,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)。
接下來是升級實驗。重復做上述實驗,只不過發射光時是一個一個發射的,也就是說每次只發射一個光子(不要糾結如何發射,科學家們有辦法,無須我們操心)。
一開始屏幕上出現雜亂無章的亮點,但隨著光子數量不斷增多,神奇的畫面出現了,屏幕上仍舊呈現出干涉條紋。
問題來了,如果想要出現干涉條紋,必須有波進行干涉,但之前科學家是一個一個地發射光子,單個光子通過狹縫時,只能從其中一條狹縫通過。
那么,單個光子如何發生干涉呢?和誰發生干涉?難道單個光子同時通過了兩條狹縫,然后自己與自己發生了干涉?從實驗結果來看,單個光子必須同時通過兩條狹縫然后與自己發生干涉!但這怎么可能?
為了解釋這個問題,實驗再次升級?
科學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,因為科學家很難直接觀測到光子。
探測的結果并沒有嚇到我們:電子并沒有同時通過兩條狹縫,只從其中一條狹縫通過。這時候科學家都松了一口氣:還好沒有通過通過兩條狹縫!
但事情遠沒有結束,更恐怖的還在后面。
在科學家進行探測的時候,屏幕上的干涉條紋居然消失了,變成了兩條杠。而當科學家不進行觀測時,屏幕上的干涉條紋再次出現!這說明人們的探測行為改變了電子原來的狀態,影響了實驗結果。
電子似乎知道科學家什么時候進行觀測,只要一觀測干涉條紋就消失,不觀測就出現。
以波爾為首的哥本哈根學派給出了解釋,也就是哥本哈根詮釋。
按照這個詮釋,電子雙縫干涉實驗包含了量子力學的三大規律:不確定性,疊加態還有觀測行為。
疊加態是微觀粒子的本質屬性,任何微觀粒子都處于一種疊加的混沌狀態,就像光子既是粒子也是波那樣,事實上,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),然后自己與自己發生干涉。
而不確定性強調,當我們發射電子時,根本無法確定電子到底會到達屏幕的哪個位置,只能用概率去描述,比如說在某個位置的概率是多少。
還有一點就是觀測行為,任何觀測行為都會讓微觀粒子的疊加態和不確定性發生坍縮(波函數坍縮),從不確定的混沌狀態變為確定狀態,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生坍縮,變成確定狀態呢?
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備,都離不開光子,我們必須通過光子與被觀測物體發生作用,才能接收到被觀測物體的相關信息。
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。說白了,觀測行為其實也是量子行為。觀測影響實驗結果并不是有些人所說的“人類意識影響實驗結果”!