為什麼有人說,“延遲實驗”會讓人感到“毛骨悚然”
科學實驗,是科學家證明一個理論或者研究一個現象的最好辦法,比如在比薩斜塔進行的“自由落體”實驗就讓人類從一個新的角度看待這個世界。很多時候,實驗都是科學的一部分,但是有這樣一個實驗,向我們描述的現象讓人感到“毛骨悚然”。
1900年,普朗克在研究“黑體輻射”問題時提出了“量子”的概念,自此量子力學問世,隨著眾多科學家的研究和完善,量子力學逐漸成為了人類的基礎物理理論,和相對論一樣,不斷影響改變著我們的思維。
量子的本質是一個物理量的最小單位,比如“長度”“時間”這些物理量都是可以量子化的,因此量子並不是現實世界中存在的粒子,而是一個物理概念,比如“普朗克時間”和“普朗克長度”就是“時間量子”和“長度量子”,因此,量子力學的本質就是探索微觀世界中粒子運動的規律。
隨著研究的深入,科學家發現了讓人驚訝的事實,在微觀世界中粒子的運動規律,和我們日常生活中熟悉的經典力學完全不同,甚至有一些現象違反常識,讓科學家懷疑宇宙的本質。
比如今天我們要說的“雙縫實驗”,以及這個實驗延伸出的“延遲實驗”。雙縫實驗十分簡單,我們在高中都進行過這個實驗的操作,但是物理老師並不會給你講述這個實驗背後的意義,為什麼雙縫實驗會讓人感到毛骨悚然。
雙縫實驗十分簡單,這個實驗的意義是讓我們透過干涉條紋瞭解到光的本質,光並不是單純的粒子,從燭光留下的干涉條紋就可以看出來,光具備波動性。這個現象被稱為光的波粒二象性。
其實科學家一直對光屬於粒子還是以波的形式存在感到疑惑,隨著科學的發展科學家才發現,光具同時具備粒子和波的特性,並且這種現象不僅僅在光子身上存在,在電子等微觀粒子的身上同樣存在,這種現象被我們稱為“波粒二象性”,並且這種現象在所有的粒子和量子上普遍存在。
科學家使用先進的電子裝置進行實驗,可以保證每次只有一個電子被髮射出來,它會隨機選擇擋板中的一個縫隙透過,但是在連續發射多個電子後就會發現,螢幕上仍然有干涉條紋出現,這就證明了電子同時以粒子和波的形態出現,自己通過了兩個縫隙,並且產生了干涉。
電子在透過兩個縫隙時,從粒子的狀態變成了波,雖然有些匪夷所思,但是這就是微觀粒子的內稟屬性,所有的粒子都具備波和粒子兩種狀態,甚至可以兩種狀態並存,只要我們不去觀察,就無法確定這個粒子的確切狀態。
為了更深入的研究,科學家想知道電子在透過兩個縫隙時的狀態,它們究竟是怎麼在短時間內從粒子轉變成波的呢?於是科學家在兩個縫隙前安裝了探測器,試圖用攝像機來觀察並留下粒子透過縫隙時的影像。
在加入了探測器後,科學家驚訝地發現,電子在穿過縫隙的這個過程中居然完全以粒子的狀態運動,背後的螢幕上也沒有留下干涉條紋,這證明電子只通過了一個縫隙,沒有以波的狀態透過兩個縫隙發生干涉。
這個現象讓科學家十分疑惑,拿走了探測器後,電子仍然會發生干涉,這個現象似乎在暗示我們,人類的觀察可以影響微觀粒子的狀態,在我們觀察時電子只具備粒子性,但是沒有觀察者存在時,電子就具備波動性。
1979年,為了紀念愛因斯坦誕辰100週年,約翰·惠勒在討論會上提出了一個思想實驗“延遲實驗”。之前的實驗我們在縫隙的擋板前加入了探測器,那麼我們在電子透過縫隙後,再開啟探測器觀察,讓電子可以自己選擇以什麼狀態透過擋板。
當一個電子以波的狀態透過兩個縫隙後,我們瞬間開啟探測器,會觀察電子只通過了一個縫隙,也就是說,人類的觀察可以“延遲”電子的決定,讓電子實際通過了兩個縫隙後,再讓電子自己選擇它實際通過了一個縫隙還是兩個。電子透過兩個縫隙是過去已經發生的“事實”,人類的觀察卻可以改變過去,這個觀察剛被提出就震驚了整個學術界。
這就是為什麼雙縫干涉實驗讓人感到毛骨悚然,在微觀世界中,人類的觀察可以改變已經發生的事實,並且人類作為觀察者的存在可以改變粒子的狀態,或許這就是為什麼宏觀世界和微觀世界中的想象有這麼多不同,人類這樣的意識體觀察後,可以保證宏觀世界的穩定。
或許“人擇原理”中的觀點是正確的:人類的存在才能解釋宇宙的特性,如果宇宙不少現在這個樣子,就不會有人類出現,並且討論宇宙的性質。或許人類的誕生是宇宙的必然。
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