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双缝干涉延迟实验为什么会吓到科学家?

很多人听到双缝干涉实验后会觉得“奥秘既神秘”,于是就有了“量子力学”。其实量子力学是人类理解宇宙底层逻辑的敲门砖,双缝干涉实验是量子力学核心的体现。我来说说双缝干涉实验有多“诡异”。它揭示了宇宙中的哪些核心?

薛定谔的猫,上帝掷骰子,平行宇宙从何而来?因为量子太抽象,我们把量子现象转移到薛定谔的猫,然后再回到双缝干涉实验,就很好理解了。这是薛定谔理解量子力学的一个很好的例子。

换句话说,在一个封闭的盒子里有一只猫,然后在毒瓶上接上一个量子装置。猫的生死取决于量子特性。如果量子衰变,猫就死了,反之亦然。换句话说,一只猫的生死间接说明了量子的本质。实验的问题是猫最后是死是活。

各路大腕纷纷发表看法,主流观点有三个:

波尔,哥本哈根学派:这是一只量子猫。它在盒子里的概率是100%是活的,100%是死的。两种状态同时存在,叠加在一起。打开盒子的一瞬间,猫的生死就会显示出来,生死的结果是随机的。

爱因斯坦和薛定谔:猫50%死,50%活。在我们打开盒子之前,它是死是活。当我们打开盒子的时候,我们看到的是结果,而不是诱导的结果。

爱因斯坦:玻尔,你是说你打开盒子的时候,上帝发现有人要来看结果,就赶紧摇号决定猫的生死?

波尔:别管上帝能做什么!

休·埃弗雷特:安静,安静,我还没说呢!首先我同意玻尔的叠加态,但是100%+100%=200%应该是开箱前后守恒的,所以我认为如果猫在开箱时死亡,那么活着的猫应该存在于另一个世界——平行宇宙。

爱因斯坦、薛定谔、玻尔:你们太厉害了,我们不知道怎么证明你们说的是错的!

故事先到了。看得懂不重要。先说结果:玻尔是对的!平行宇宙无法证明,但充其量是个假设。这个故事中有几个要点:

1.猫是死是活——叠加态

2.打开盒子意味着观察,观察会让叠加态随机坍缩成单一态。(神摇号!)

3.前两点,打开前后,也暗示了波粒二象性。(以后再说)

什么是光?——双缝干涉的“怪异”接下来,我们来看双缝干涉。这件事要从牛顿说起,源于一个看似简单却无人能答的问题——光是什么?

图:牛顿棱镜实验

牛顿作为当代的高材生,在光学方面做出了很多贡献。例如,他做了棱镜实验,认为阳光是各种光的混合。他认为光可以被反射和折射,它的轨迹会发生变化,就像乒乓球扔在墙上会反弹回来一样,所以它的最小单位应该是粒子。

在19世纪,托马斯·杨反驳了牛顿。他只做了一件事,让一束光穿过两个小狭缝,后面有一个感应屏。根据牛顿的说法,这个实验的结果应该是两条条纹,如下所示:

事实上,已经出现了以下结果:

所以老阳说光就像下面的水波,但实际上是海浪:

穿过缝隙的光波变成了两波,两波相互干涉,出现了和水一样的现象,于是在屏幕上显示出干涉条纹。

这就是双缝干涉实验,但奇怪的是量子力学的双缝干涉实验。

好景不长。借助黑体辐射实验,普朗克发现光能是不连续的,爱因斯坦发现光电效应,即光与原子相互作用时,以粒子的形式交换能量。于是大家重新审视双缝实验,升级。

既然光是一粒一粒的,那么当我们让光子通过双缝时会发生什么?(实际实验用的是电子,道理是一样的。)

大佬们迅速按照两个狭缝像机关枪一样发射出穿梭电子,显示屏上随机出现大量粒子,但从远处看,这些粒子也形成了干涉条纹。既然是粒子,为什么会干涉?

所以有人认为很多电子挤在一起,所以有干涉,有点像儿童乐园里的海洋球。当你跳进去的时候,海洋球会像波浪一样散开,虽然是粒子,但也会产生干扰。但这真的是全部吗?

图:实验结果

科学家又做了一次实验,改成了“手枪式”发射。一个电子被砰的一声击中,电子到达感应屏,然后再打一枪,防止了两个电子在运动中互相干扰。然而,科学家们感到困惑。无论你打字快还是慢,结果都是一样的。屏幕还是会有波动,而且会有新的干涉条纹而不是两条条纹!也就是说单个电子干扰了,那么干扰了谁呢?就两条缝,它只能选择一条通过,另一条缝没有电子出来。它能干涉到哪里?

为了解决问题,大佬们在实验中安装了一个光电探测器来“看”它,看看电子是如何干涉的!人们发现电子在感应屏上诚实地形成了两条条纹。大家:天啊,告诉我发生了什么!

上面的故事已经给出了答案:波粒二象性首先用不可靠的平行宇宙理论解释:你不看的时候,电子穿过缝A,然后穿过缝B,然后干涉。你可以理解量子里有个二重身。如果你看着它,宇宙就会分裂。如果电子通过A槽进入,那么平行宇宙中的电子就会通过B槽进入。是我们的探测造成了宇宙的分裂,使得两个宇宙中的电子无法干涉。

玻尔的解释:前半段和平行宇宙一样,电子处于叠加态,是波动态,但是你看着看着,就随机坍缩成粒子态了。

爱因斯坦:我解释不了!一定有我们还没弄清楚的事情。反正上帝是不会摇号的。

图:我们的印象中,原子中的电子是这样的。

图:其实就是这样,所以也叫电子云,有概率,有波动。

从目前的科研成果来看,玻尔是对的。量子具有波粒二象性,这是量子力学的核心。电子同时具有波和粒子的性质。

当它没有坍缩成粒子时,虽然它也是作为单个粒子发射的,但波的性质也在起作用。当你发射单个电子时,类似于发射水波。当你发射一束电子的时候,你其实是在发射一束波,这些波会根据干涉结果显示在感应屏上。当你检测到一个电子时,它会坍缩成单个粒子的性质,于是一束电子被打出来,没有干扰,只出现两条条纹。

如果你不了解量子的本质,你会觉得我不看干涉条纹,但我不干涉。好像有点“吓人”。自然明白量子力学是人类发现宇宙的最低逻辑。它可以解释宇宙的起源,从宇宙的构成到构成宇宙最小结构的粒子的形成。

如果宇宙不是完美的,它有bug,你信吗?双缝干涉实验似乎一步步发现了这个宇宙的“漏洞”。

双缝干涉实验是什么?当我们把一块石头丢入水中时,水面会产生波纹。如果我们同时丢下两块石头,两个水波之间就会出现交叉干涉条纹。这就是波可以互相干涉的特性。

双缝干涉实验中,在光源前放置一个有两个狭缝的不透明挡板,挡板后放置一个可观察的背景。当我们打开光源时,会在背景上看到明暗条纹,这是一个简单的双缝干涉实验。这个实验证明了光是一种波!因为光线通过两个狭缝,只有波特有干涉,所以对向波被抵消,对向波被增强,造成背景上明暗相间的条纹。(日常生活中的主动降噪耳机就是利用这个原理,用相反的声波来抵消噪音。)

让我们升级实验,光源变得很小,背景换成了高灵敏度高分辨率的底片。打开光源后,一开始我们看到无数随机分布的小点,然后越来越多,最终形成了明暗相间的条纹!升级实验后,证明光是粒子,具有波的特性,也就是光的波粒二象性!

双缝干涉延迟实验虽然双缝干涉实验一直被人称道,但科学家们又将这个实验升级了。把光源一次变成一个电子!电子要想通过这个挡板,只能随机通过两个缝隙。

我们知道,要想干预,就必须要有对象。没有对象我们怎么会被干扰?然而这一次,实验结果出错了,即使单个电子随机穿过两个缝隙,最后还是形成了干涉条纹。

这个结果震惊了科学界!为什么单个电子可以自我干涉?他还有另一个二重身吗?更奇怪的是,当我们观察电子通过哪个间隙时,干涉条纹消失了。当观测被取消后,干涉条纹又神奇地出现了!好像有一双眼睛在偷窥我们,只能给我们看到电子通过缝隙的路径(粒子特征)或者电子的干涉条纹(波动特征)!

双缝干涉的延迟选择性量子擦除看到这里,你可能会觉得上面的实验会有很多未知的漏洞。我们在观察电子的时候,已经扰乱了电子的正常运动,引起了电子性质的变化,但是我们没有办法找出这个因素。接下来,科学家们用更复杂精密的方法来做双缝实验。将一个光子分离成一对纠缠光子A和B(无论距离远近,纠缠光子都可以相互影响)

AB做双缝干涉实验(互不影响的环境),而B比A离感应屏更远,所以A会比B先到达感应屏,当我们在实验B中放一个摄像头观察B通过双缝的路径时,实验A的干涉像就消失了。很明显,纠缠的两个光子相互作用,B得不到的波动性质A就无法得到。接下来我们通过技术手段擦除B获得的路径信息,然后干涉条纹在A和B中都出现..这里有两个非常奇怪的现象。测得的光子路径信息只是一个“漏”。没有主管的意识去检查,干涉条纹就会消失!抹掉这条路径信息,干涉条纹又会出现!

更诡异的是,当我们在实验中从B开始设置路径信息时,A已经到达感应屏并形成图像了!这时B的路径信息被擦除,已经“拍”在A传感器屏幕上的图像就会变成鬼魅般的干涉条纹!

难以理解的“宇宙程序”很多人最初认为观测光子路径意味着人类意识介入实验。但是,我们从上一个实验中知道,在延迟选择实验中,测得的路径信息,不管你看不看,都已经被宇宙程序确定是你泄露了秘密!光子波动属性是隐藏的!我们得不到干涉图像。如果我们抹去这个泄露的秘密,宇宙程序会立即修复光子的波动,让我们得到干涉图像。没想到,我们人类利用量子纠缠在实验室钻了个空子,这样就可以在图像形成后获得路径信息。然后我们选择泄漏还是擦除,宇宙程序还是按照原来的指令执行。让已经形成的像变回来(曾经不干涉的光子,现在又干涉了。这是绕路)?这是不是意味着我们发现了宇宙程序的一个BUG,用我们现在的决定改变了过去!还是另有原因?我们所处的宇宙,一个真实到看不到边缘的世界,是一个设定好的“程序”吗?或者说宇宙,一个看似完美的世界,其实是有一些漏洞的。如果未来人类利用这些漏洞,未来的世界会是什么样子?

答:不吓人,但是这个实验很神秘。双缝实验是英国科学家托马斯·杨在1807年提出的,证明了光的波动。20世纪初,量子力学的出现为双缝实验增加了新的解释。

光的历史牛顿是光学的创始人。17世纪,他建立了经典力学,认为光是由许多微小粒子组成的粒子流,即“光的粒子说”。这个理论成功地解释了光的折射和反射,在后来的100年里,粒子理论一直被认为是光的正统理论。

直到1807年,英国科学家托马斯·杨发现了光的双缝干涉实验,证明了光是波而不是粒子,因为干涉是波的特性。此后,光的波动理论逐渐取代粒子理论成为正统。

100多年后,光的波动理论遇到了一些无法解释的现象,如黑体辐射、光电效应等,随后普朗克、爱因斯坦等人将光的粒子理论重新推上科学舞台。

随着量子力学的发展,科学家提出了光的波粒二象性。伟大的物理学家费恩曼曾经说过:“双缝干涉是量子力学的核心实验,它蕴含着量子力学最深的奥秘。”

双缝干涉在经典力学的波动理论中,双缝干涉是对光波的解释,并无玄机;但是在量子力学中,双缝干涉并不是那么好解释的,有很多地方科学家还没有搞清楚。

对于这个实验,首先量子力学认为光是由光子组成的,每个光子的能量是E=hυ,其中h是普朗克常数,υ是光子的频率。

一束单色光通过狭窄的单缝后再通过双缝,会在双缝后面的屏幕上产生干涉条纹;这个实验的奥秘在于,如果我们一个一个地发射光子,即使把光子变成电子甚至分子,也能得到干涉条纹。

从粒子的角度来看,如果粒子通过单缝,再通过双缝,只有两种选择,屏幕上应该得到两条亮线;然而,获得许多明暗干涉条纹的事实表明,在这个实验中,单个粒子可以干涉其自身。

换句话说,单个粒子同时穿过两个狭缝,而不是一个狭缝;你没听错。单个粒子同时穿过双缝,就像单个粒子一分为二穿过双缝,然后干涉形成粒子,落到屏幕上。

实验的奥秘在于,一旦我们试图探测到粒子穿过了哪条缝,比如在双缝上加一个探测器,干涉条纹就会立刻消失,就好像粒子知道你观察到了一样。

非常令人费解的是,实验过程是否被观察到,实际上会影响实验结果;当初爱因斯坦还嘲笑量子力学:不观测的时候月亮不存在吗!这个解释很难接受,但这是量子力学对双缝实验的解释。无数顶尖的物理学家尝试了你能想到的每一种可能性,最后认为这个解释是最合理的。

实验扩展后,还引入了薛定谔的猫,量子延迟选择实验等等。比如薛定谔的猫,猫的死和猫的活对应着双缝干涉实验中的两条缝。这两个实验本质上是一样的。双缝干涉实验解决了,半死猫就解决了。