为什么有人说,“延迟实验”会让人感到“毛骨悚然”
科学实验,是科学家证明一个理论或者研究一个现象的最好办法,比如在比萨斜塔进行的“自由落体”实验就让人类从一个新的角度看待这个世界。很多时候,实验都是科学的一部分,但是有这样一个实验,向我们描述的现象让人感到“毛骨悚然”。
1900年,普朗克在研究“黑体辐射”问题时提出了“量子”的概念,自此量子力学问世,随着众多科学家的研究和完善,量子力学逐渐成为了人类的基础物理理论,和相对论一样,不断影响改变着我们的思维。
量子的本质是一个物理量的最小单位,比如“长度”“时间”这些物理量都是可以量子化的,因此量子并不是现实世界中存在的粒子,而是一个物理概念,比如“普朗克时间”和“普朗克长度”就是“时间量子”和“长度量子”,因此,量子力学的本质就是探索微观世界中粒子运动的规律。
随着研究的深入,科学家发现了让人惊讶的事实,在微观世界中粒子的运动规律,和我们日常生活中熟悉的经典力学完全不同,甚至有一些现象违反常识,让科学家怀疑宇宙的本质。
比如今天我们要说的“双缝实验”,以及这个实验延伸出的“延迟实验”。双缝实验十分简单,我们在高中都进行过这个实验的操作,但是物理老师并不会给你讲述这个实验背后的意义,为什么双缝实验会让人感到毛骨悚然。
双缝实验十分简单,这个实验的意义是让我们通过干涉条纹了解到光的本质,光并不是单纯的粒子,从烛光留下的干涉条纹就可以看出来,光具备波动性。这个现象被称为光的波粒二象性。
其实科学家一直对光属于粒子还是以波的形式存在感到疑惑,随着科学的发展科学家才发现,光具同时具备粒子和波的特性,并且这种现象不仅仅在光子身上存在,在电子等微观粒子的身上同样存在,这种现象被我们称为“波粒二象性”,并且这种现象在所有的粒子和量子上普遍存在。
科学家使用先进的电子设备进行实验,可以保证每次只有一个电子被发射出来,它会随机选择挡板中的一个缝隙通过,但是在连续发射多个电子后就会发现,屏幕上仍然有干涉条纹出现,这就证明了电子同时以粒子和波的形态出现,自己通过了两个缝隙,并且产生了干涉。
电子在通过两个缝隙时,从粒子的状态变成了波,虽然有些匪夷所思,但是这就是微观粒子的内禀属性,所有的粒子都具备波和粒子两种状态,甚至可以两种状态并存,只要我们不去观察,就无法确定这个粒子的确切状态。
为了更深入的研究,科学家想知道电子在通过两个缝隙时的状态,它们究竟是怎么在短时间内从粒子转变成波的呢?于是科学家在两个缝隙前安装了探测器,试图用摄像机来观察并留下粒子通过缝隙时的影像。
在加入了探测器后,科学家惊讶地发现,电子在穿过缝隙的这个过程中居然完全以粒子的状态运动,背后的屏幕上也没有留下干涉条纹,这证明电子只通过了一个缝隙,没有以波的状态通过两个缝隙发生干涉。
这个现象让科学家十分疑惑,拿走了探测器后,电子仍然会发生干涉,这个现象似乎在暗示我们,人类的观察可以影响微观粒子的状态,在我们观察时电子只具备粒子性,但是没有观察者存在时,电子就具备波动性。
1979年,为了纪念爱因斯坦诞辰100周年,约翰·惠勒在讨论会上提出了一个思想实验“延迟实验”。之前的实验我们在缝隙的挡板前加入了探测器,那么我们在电子通过缝隙后,再打开探测器观察,让电子可以自己选择以什么状态通过挡板。
当一个电子以波的状态通过两个缝隙后,我们瞬间打开探测器,会观察电子只通过了一个缝隙,也就是说,人类的观察可以“延迟”电子的决定,让电子实际通过了两个缝隙后,再让电子自己选择它实际通过了一个缝隙还是两个。电子通过两个缝隙是过去已经发生的“事实”,人类的观察却可以改变过去,这个观察刚被提出就震惊了整个学术界。
这就是为什么双缝干涉实验让人感到毛骨悚然,在微观世界中,人类的观察可以改变已经发生的事实,并且人类作为观察者的存在可以改变粒子的状态,或许这就是为什么宏观世界和微观世界中的想象有这么多不同,人类这样的意识体观察后,可以保证宏观世界的稳定。
或许“人择原理”中的观点是正确的:人类的存在才能解释宇宙的特性,如果宇宙不少现在这个样子,就不会有人类出现,并且讨论宇宙的性质。或许人类的诞生是宇宙的必然。
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