如果要结论,那就是:现在的选择可以改变过去、当下的选择能够决定 历史 。
这个推理过程,有些烧脑。但这毕竟是几十年前或上百年前的理论。所以,现代人理解起来应该没啥问题。如果还是理解不了,那只能说我讲得不够清晰。
必须要理解的一个问题是:光是一种波,还是一种粒子?
杨氏双缝实验,证明光就是一种波先是,麦克斯韦用方程解出了电磁波;再是,大家发现电磁波的速度与光的速度一样;于是,合理推测:光就是一种电磁波。所以,光是一种波。
理论上没问题。但理论需要试验来验证。物理不是数学,总有不讲理的地方。一个牛人跑得跟兔子一样快,那你能说他就是一种兔子吗?所以,证明牛人是不是兔子,还需要试验,起码你得证明他有四条腿、还有短尾巴。
1803年的时候,英国人托马斯•杨做了著名的双缝实验。当时的实验工具非常粗糙。光源是一个点燃的蜡烛,蜡烛后面是一块遮挡板,遮挡板后面是一个屏幕。在遮挡板上开了两个缝隙,蜡烛的光只能透过这两个缝隙,才能打到后面的屏幕上。
于是,神奇的一幕发生了。屏幕上形成了明暗相间、循环有序的条纹。这说明什么?这说明光是以波的形式通过两条缝隙的,然后两组光波在屏幕上形成干涉。波峰与波峰相遇则正好叠加、波峰与波谷相遇则正好抵消。
所以,光是一种波,像水波一样。
普朗克到爱因斯坦,证明光是一种粒子黑体辐射中的黑体,就是它不反射光,只发出自己的光。像太阳、烧红的老铁、黑暗中的人体,都可以 近似 为黑体。黑体发出的光,全是因为它的热量,也就是一种热辐射。
但是,问题出现了。在给定温度下,黑体发出去的光,它的频率形成了一条谁也无法解释的曲线。
你把光当成一种电磁波,然后用统计力学进行计算,却死活解不出黑体发光的方程来。
于是,普朗克出手,他只看曲线、只用数学,硬是凑出了一个方程。但是,要满足这个方程,需要一个前提条件,那就是:黑体发出去的光,必须是一份一份的。简单说,就是黑体辐射出来的光,不是像波一样,是连续的,而是像子弹一样,射出来的。
所以,黑体辐射的解释就是:黑体辐射出来的光,是一份一份的。
同时,物理学家又发现了一个奇怪的现象:一束光打在金属板上的时候,金属板就会向外发射出电子。解释起来很简单,光是一种电磁波,电磁波是有能量的,电磁波的能量推动电子,电子就被打了出去。但问题是电子怎么跑,与光的强度没关系,只跟光的颜色有关系。用物理量来说,就是跟光的频率有关系。高频率的绿光和蓝光,无论强度多弱,电子都会被打出去;低频率的红光,无论强度多强,电子都不会被打出去。
光是一种电磁波,电磁波的能量只跟光的强度有关系,跟频率没啥关系。所以,应该是强度越高、能量越高,然后电子就被打出去越多。但是,电子能不能被打出去,跟光波的强度却没啥关系,只跟光的频率有关系。所以,电磁波解释不了这个问题。
而接下来,就是爱因斯坦出手了。
爱因斯坦认为非但黑体辐射发出来的光是一份一份的,只要是光,它就是一份一份的。光不是连续的一片波,而是由一个一个的光子组成的。每个光子的能量,是它的频率乘以普朗克常数。所以,频率越高,能量就越高。至于光波的强度,不重要的。重要的是光的频率,频率足够、光子的能量才够,自然可以把电子打出去。从中可以推理出来:光是粒子的,像子弹一样。
接下里肯定要问:光到底是波动的还是粒子的。你可以认为:光子形成的光,是波动的,就像水分子聚合成的水一样:而单个光子,是粒子的,就像射出去的子弹一样。
但是,后来把杨氏双缝实验精确到单个电子的程度,它却仍旧表现出波的属性。
中间还有各种实验,也有各种理论推理,一笔带过。一个叫德布罗意的物理学家提出了一个洞见,那就是:电子和光子一样,都具有波动性,而且一切物质都有波动性。你之所以看不到物质的波动,是因为波动太小,观察不到。比如一个质量为3千克的球,以每秒10米的速度运动,根据计算,它的波长是10的负35次方米。
所以,光具有波粒二象性。
1961年,物理学家用单个电子做成了杨氏双缝实验。实验结果:你就是每次只发射一个电子,积累的电子多了,屏幕上还是会出现干涉条纹。
如果电子是粒子的,那么屏幕后面就应该像打靶的靶纸一样,怎么也不可能出现干涉条纹。所以,唯一的解释就是单个电子同时通过了两个缝隙:它既在这里也在那里。
烧脑了吧。但,以上只需要记住一个结论,就是:世界是由原子组成的,原子就有波粒二象性。
接着,更烧脑的问题和实验有出现了。
到底什么时候是波、到底什么时候是粒子你在杨氏双缝实验的屏幕后面,各放一台探测仪,盯着单个缝隙,看光子到底怎么运动。这时候,会出现什么情况?光子就像子弹一样从一个缝隙中射了出来,屏幕上也没出现干涉条纹,它表现为粒子性,而不是波动性。
如果在实验中没有屏幕,就用两个探测器分别盯着两个缝隙,那光子就或者从这个缝隙中通过、或者从那个缝隙中通过,光子表现为粒子性。
如果在实验中放上屏幕,屏幕挡住了两个探测器的观察视角,那光子就会同时从两个缝隙中通过,然后在屏幕上形成干涉条纹。
你这是怎么回事?
我这么观察的时候,你光子就是波动的,在屏幕上形成了干涉条纹;我那么观察的时候,你光子就是粒子性的,像子弹一样飞了过来。
也就是说,光子到底表现为波动性,还是粒子性,完全取决于我的观察。是波动、还是粒子,光子说:我都可以,看你喜欢。你放块屏幕在后面,那我就给你波动出干涉条纹来;你放个探测器盯着我看,那我就给你做出粒子运动来。
延迟选择的猜想和试验于是,在上世纪70年代末,物理学家惠勒提出了一个延迟实验。简单说:开始不放屏幕,就是盯着缝隙,相当于盯着光子怎么运动;等你光子完全通过双缝之后,再突然放上屏幕,看你还能不能波动出干涉条纹来。
实验很多,各种复杂的设计和先进的仪器都用上了,因为物理学家一定要往死折腾光子。
太复杂的操作设计不解释了,大体步骤可以做如下概括:
双缝后面不放置屏幕,分别用探测仪盯着两个缝隙:这时候光子肯定会像子弹一样,或从这个缝隙射出、或从那个缝隙射出;
在这个过程中,光子表现为粒子性;
等光子像子弹一样通过双缝之后,这时候它肯定不能调头、也不能重来了,然后再突然把屏幕放上,观察光子到底会在屏幕上留下什么。
这么折腾光子,你让光子情何以堪?我到底该表现为波动性、还是该表现为粒子性?
光子不能调头、不能重来、更不能耍无赖,所以它只能像子弹一样射过来,屏幕上就会呈现子弹扫射的样貌。然而,并没有,干涉条纹在屏幕上出现了。
也就是说,光子是同时通过双缝的、是波动过来的。我们的观测改变了光子的 历史 轨迹。
用一个通俗点儿的例子,来解释这个问题:
老师点名的时候,我肯定要到课堂听课;老师不点名的时候,我肯定要到球场打球;到底是上课还是打球,取决于老师点名或不点名的信息。
开始,老师说不点名,所以我换上了运动服、去了球场打球。突然,老师又说点名了,而我却已经穿着正装、坐在课堂听课了。
之前的换上正装、到课堂听课,之前的换上运动服、去球场打球,这段“ 历史 ”到底会是哪一个,完全取决于现在的老师现在是不是要点名。
现在的选择可以改变过去。
如果这个例子的时间尺度还不够大,那就用惠勒提出的设想:
一个距离地球十亿光年的星系,它的星光被爱因斯坦的引力透镜分成了两束,在十亿年后各自到达了地球。引力透镜就相当于杨氏双缝实验中的双缝。只不过这个缝隙有点儿大。
如果我们单独观察一束光,那么它就是单独过来的,它是以粒子的形式走过来的。
如果在地球支上一个屏幕,那么两束光就合在一起,它是以波动的形式走过来的。
这是不是说:我们的行动,能够决定光子十亿年前出发时候的状态,是波动的还是粒子的?
当下的选择能够决定 历史 。
但是,还不需要过分担忧。
首先,这只停留在微观粒子层面;其次,选择只能决定光子当初是波动还是粒子;第三,选择并没有改变光的运动方向。可以得到的洞见是:我们可能需要对过去和未来做出新的思考,怀疑其是不是一种错觉。
如果说宇宙不是完美的,它有BUG(漏洞),你信么?双缝干涉实验似乎一步步地发现了这个宇宙“漏洞"
双缝干涉实验是什么?当我们在水中丢下一块石头,那么水面就会产生波纹,如果同时丢下两块石头,两个水波之间就能够出现交叉的干涉条纹。这就是波能够互相干涉的特征。
双缝干涉实验既在一个光源前放置一个开了两条缝隙的不透明挡板,挡板后面再放置一个能够观测到的背景。当我们打开光源,会看到背景上出现明暗相间的条纹,这就是简单的双缝干涉实验。 这个实验证明了光是一种波! 因为光在穿过两条缝隙后产生只有波特有的干涉,相反的波被抵消,相向的波被增强,导致背景上明暗相间的条纹。(日常生活中主动降噪耳机就是利用了这个原理,用相反的声波抵消了噪音)
下面我们把实验升级一下,光源变得非常小,背景换成高灵敏高分辨的底片。打开光源后,一开始我们看到了无数随机分布的小点,随后这些小点越来越多最终形成明暗相间的条纹!实验升级后证明光是一种粒子并且还具备波的特征 , 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已经让人赞不绝口,不过科学家们还是在这个实验上再次升级。将光源变成一次发射一粒的电子!电子要通过这块挡板只能随机通过两条缝隙。
我们知道,要干涉就必须有对象,没有对象怎么被干涉?然而这一次实验结果出事了,即便单个电子在随机穿过两条缝隙后依然在最后形成了干涉条纹。
这个结果震惊了科学界!为什么单个电子能够自我干涉?难道他还有一个分身?更诡异的是当我们观察电子是通过哪一条缝隙时,干涉条纹消失了。当取消观察时,干涉条纹又神奇的出现了!冥冥中仿佛有一双眼睛窥视着我们,只能让我们看到电子穿越缝隙的路径(粒子特征)或者电子的干涉条纹(波特征)其中之一!
双缝干涉之延迟选择量子擦除看到这里,你也许认为上面的实验会有很多未知的漏洞,我们观察电子时已经打扰了电子的正常运动导致电子属性改变,只是我们没有办法找出这个因素。接下来科学家用更加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的光子A和B(纠缠的量子能够无视距离影响对方)
AB分别做双缝干涉实验(互不影响的环境),而B距离感应屏比A远,这样 A会比B要先到达感应屏 。当我们在B实验中放置相机观测到B通过双缝的路径时,A实验的干涉图像消失,显然,纠缠的两个光子是互相影响了,B得不到的波属性A也得不到。接下来,我们通过技术手段把B获得的路径信息擦除,然后A和B都出现了干涉条纹。这里就出现了两个个非常诡异的现象。 测量到光子的路径信息只是"泄露”,没有主管观意识去查看,干涉条纹会消失!把这个路径信息擦除掉,干涉条纹又会出现!
更诡异的是,实验中我们设定从B获得路径信息时,A早就已经到达了感应屏形成了图像!这时候擦除B的路径信息,A感应屏已经"拍好照"的图像会鬼魅般地变成干涉条纹!
让人难以理解的“宇宙程序”很多人一开始认为,观察光子路径就是人类意识干预了实验。不过我们从最后一个实验得知,在延迟选择实验中,测量到的路径信息,你看与不看,宇宙程序它已经认定了你泄露了天机!光子波动属性就被隐藏了!我们得不到干涉图像。如果我们把这个泄露的天机抹除掉,宇宙程序马上修复了光子的波动性,让我们得到了干涉图像。没想到的是,我们人类在实验室上利用量子纠缠钻了个空子,让图像形成之后再得到路径信息。接着我们再去选择是泄露还是擦除,宇宙程序任然按照原来的指令执行了。让已经形成的图像变了回去(曾经不干涉的光子,在曾经又干涉了。这话很绕)?这是不是意味着我们找到了一个宇宙程序的BUG,用现在的决定,改变了过去!还是另有其他原因?我们生存的宇宙,这个看不到边无比真实的世界,难道是一个设定好的“程序”?或者说宇宙这个看似无比完美运行的世界其实还有一些漏洞。如果人类将来利用这些漏洞未来的世界会发展成什么样子?
很多人听过双缝干涉实验后会认为“玄之又玄”,于是有了“遇事不决量子力学”。实际上,量子力学是人类了解宇宙底层逻辑的敲门砖,而双缝干涉实验则是量子力学核心的显现,下面我聊聊双缝干涉实验到底多“诡异”,它揭示了宇宙哪些核心?
薛定谔的猫、上帝掷骰子、平行宇宙哪来的?由于量子太过抽象,因此我们把量子现象过渡薛定谔的猫,再回到双缝干涉实验就容易理解了。这是薛定谔给我们理解量子力学的好例子。
话说啊,有个封闭的盒子里面装一只猫,然后一个量子装置连着毒药瓶,猫的生死取决于量子性质,如果量子发生衰变猫死,反之则没事。换句话说,猫的生死间接表现了量子的性质。实验的问题是猫最后是死的,还是活的?
各路大佬都说出了自己的看法,主流看法有三个:
哥本哈根学派,波尔:这是只 量子猫,它在盒子里的概率是100%的可能性是活的,同时100%可能性是死的,两种状态同时存在,叠加在一起,当你打开盒子一瞬间,猫的生死才会表现出来,生死的结果是随机的。
爱因斯坦、薛定谔:猫50%是死的,50%是活的,我们打开盒子之前它就已经死了,或者还活着,我们打开盒子看到的是结果,而不是诱发结果。
爱因斯坦:波尔,按你的意思是打开盒子时,上帝发现有人要来看结果了,赶紧摇号决定了猫的生死?
波尔:你别管上帝能干什么!
休·埃弗雷特:安静安静,我还没说呢!首先波尔的叠加态我是认同的,但是100%+100%=200%,打开盒子前与打开盒子后应该守恒才对,因此我认为如果打开盒子时猫死了,那么活着的猫应该存在于另外一个世界中——平行宇宙。
爱因斯坦、薛定谔、波尔:你厉害, 我们竟然不知道如何证明你说的是错的!
故事先到这里,看得懂看不懂没关系,先说结果:波尔是对的!而平行宇宙证明不了,最多算假说。在这个故事中有几点很重要:
1. 猫即死又活的状态——叠加态
2.打开盒子意味着观测, 观测会让叠加态随机坍缩为单一状态 。(上帝摇号!)
3.前两点, 打开前与打开后,还隐含了波粒二象性。 (下面再说)
光到底是什么?——双缝干涉的“诡异”接下来我们看双缝干涉,这事要先从牛顿说起,源于一个看似简单,然而谁都答不上来的问题——光是什么东西?
图:牛顿三棱镜实验
牛顿作为当代学霸,为光学做出了不少贡献,比如阳光是由多种光混合而成的三棱镜实验就是他搞出来的。他认为光又能反射,还折射,运动轨迹会改变,就像乒乓球扔墙上会反弹回来,因此它最小的单位应该是粒子。
十九世纪,托马斯·杨反击牛顿,他只干了一件事,让一束光通过了两条小缝,后面有块感应屏。“按照牛顿的说法”这个实验的结果应该是两条条纹,如下面:
实际上却出现了下面的结果:
于是老杨说光就像下面的水波一样,其实波:
通过缝隙的光波变成了两个波,两个波接触干涉,出现和水一样的现象,于是在屏幕上显示出干涉条纹。
这就是双缝干涉实验,但是诡异的事情是量子力学的双缝干涉实验。
好景不长,随着黑体辐射实验,普朗克发现光能量是一份一份不连续的,爱因斯坦发现光电效应,即光与原子作用时是以粒子的形式交换能量的。于是大家重新审视双缝实验,对它进行升级。
既然光是一粒一粒的,那么我们把光子一粒粒通过双缝会发生什么?(实际实验用的是电子,道理是一样的)
大佬们很快地照着两条缝像机关枪一样发射一梭子电子,显示屏上随机出现大量的粒子,但站远点看这些粒子同样组成了干涉条纹。既然是粒子,为何会发生干涉?
于是有人认为一大堆电子在一起挤来挤去的所以发生了干涉,有点像儿童乐园里的海洋球,当你跳进去,海洋球虽然是一粒一粒的,但是会像波一样往向外扩散,于是就有了虽然是粒子但同样会发生干涉。但真的只是这样吗?
图:实验结果
科学家再次做了实验,改成了“手枪式”发射,“啪”打一发电子,电子到达了感应屏,再打下一发,杜绝了两个电子在运动时发生干涉。然而科学家懵了,快点打和慢点打,结果是一样的,屏幕还是出现了波动性,才会出现的干涉条纹,而不是两条条纹!也就是说单个电子发生了干涉,那么它和谁干涉呢?就两个缝,它只能选一个穿过,另一个缝没有电子出来,上哪干涉去?
为了解决了问题,大佬们就在实验中安上了光电探测器“去看它”,看看电子是如何完成干涉的!结果发现电子老老实实的在感应屏上形成了两条条纹。大家:上帝,告诉我发生了什么!
上面的故事已经给了答案:波粒二象性先按不靠谱的平行宇宙理论来解释:你不看时,电子即从A缝过去,又从B缝过去,然后发生了干涉,你可以理解为量子出现了一个分身。如果你去看它,宇宙就分裂了,如果电子从A缝进入,那么平行宇宙中的电子就从B进入,是我们去探测引起了宇宙的分裂,导致处于两个宇宙中的电子(分身)无法形成干涉。
波尔的解释:前半段和平行宇宙一样,电子处于叠加态,这是一个波的状态,但当你去看它,就随机坍缩成了粒子态。
爱因斯坦:无法解释!肯定有什么我们还没弄清楚的,反正上帝是不会摇号的。
图:我们印象中电子在原子中是这样的
图:实际上它是这样的,因此也叫电子云,具有概率性、波动性。
到目前的科学研究成果来看,波尔是对的。量子具有波粒二象性,这是量子力学的核心。一个电子同时具有波与粒子的性质。
当它没有坍缩成粒子时,虽然也是以单个粒子发射,但波的性质也在发挥着作用,当你发单个电子就类似于发射出水波,你发射了一堆电子,其实就是在发射一堆波,这些波都会按着干涉后的结果显示在感应屏上。当你探测电子,它坍缩成单独的粒子性质,所以一堆电子打出去,没有发生干涉,只出现两条条纹。
如果不理解量子的性质就会觉得,我不看出现干涉条纹,我看了却不干涉了,似乎有点“恐怖”,理解了就理所当然了,量子力学是目前人类发现的宇宙最底层的逻辑,它可以解释宇宙起源,大到宇宙的构成,小到组成宇宙最小结构的粒子的形成。