我們在高中的時候曾經學過一個實驗,名字叫做雙縫實驗,我們準備一個蠟燭,在蠟燭後面放置一塊只有一條長縫隙的擋板,然後在後面放置一塊有兩條長縫隙的擋板,最後再放置一塊黑色螢幕,螢幕上會產生明暗條紋。
這個實驗是托馬斯·楊所提出來的,他證實了光纖透過平行且距離很小的兩個小孔,透過兩小孔頻率相同的光會發生互相影響投射出明暗相間的圖案,第一個擋板的作用是讓蠟燭發出的光先衍射,變成一束穩定的相干光源,這樣可以排除干擾,能更清晰地觀察到試驗結果,第二塊擋板的作用是讓相干光變成同樣的兩列光源,這兩列光源發生干涉,相位相同效果就加強,相位有差就抵消。
在這個實驗中托馬斯·楊提出了干涉這個名詞,楊氏雙縫實驗也被稱為光的干涉現象。
這個實驗在當時造成了極大的轟動,最終導致托馬斯·楊被學術界封殺,轉而研究歷史,因為在當時,牛頓的微粒說佔據了學術界主流,被科學家奉為聖經。
什麼是微粒說呢?牛頓在法國數學家皮埃爾·伽森荻提出的物體是由大量堅硬粒子組成的基礎上,根據光的直線傳播規律、光的偏振現象,最終於 1675 年提出假設,認為光是從光源發出的一種物質微粒,在均勻媒質中以一定的速度傳播。微粒說由此產生。
但是托馬斯·楊的實驗卻證實了光的波動理論,光的波動說認為光是以波的形式在運動。微粒說和波動說在此後的數百年時間裡一直在爭論不休。
20世紀初,隨著科學家對世界的研究從宏觀到微觀,德布羅意在 1924 年提出了“物質波”假說,認為和光一樣,一切物質都具有波粒二象性。根據這一假說,電子也會具有干涉和衍射等波動現象。
1927 年,C . J . 戴維孫和 L . H . 革末在觀察鎳單晶表面對能量為 100 電子伏的電子束進行散射時,發現了散射束強度隨空間分佈的不連續性,即晶體對電子的衍射現象。幾乎與此同時,G . P. 湯姆孫和A.裡德用能量為2萬電子伏的電子束透過多晶薄膜做實驗時,也觀察到衍射圖樣。電子衍射的發現證實了 L. V . 德布羅意提出的電子具有波動性的設想,從而證實了一切物質都具有波粒二象性。
這個時候雙縫實驗也從宏觀變成了微觀,變成了電子雙縫實驗,可以說直接顛覆了整個世界的認知。
我來和大家梳理一下背景,雙縫實驗是指光透過木板的狹縫從而射在螢幕上,而深入到微觀領域,那就變成了電子雙縫實驗,光子是以波的形式運動,由於存在干涉,穿過雙縫後會出現一道道痕跡。(電子和光子都屬於基本粒子)
不同數量的電子透過雙縫後在膠片上出現的干涉圖樣
但即使是一個個光子發射,也同樣會發生干涉現象,條紋清晰地出現在螢幕上,這究竟是發生了什麼事情。
哥本哈根解學派掌門人玻爾的解釋是:“我們無需去關心它“本來”是什麼,也無需擔心大自然“本來”是什麼,我只關心我們能“觀測”到大自然是什麼。電子又是粒子又是波,但每次我們觀察它,它只展現出其中一面,這裡的關鍵是我們“如何”觀察它,而不是它“究竟”是什麼。”
這段話的意思就是:它既是一個粒子,同時也是一個波!你觀察的角度不同,那麼你看到的東西也就不同。。
但是愛因斯坦卻表示了反對態度,單個電子怎麼可能透過兩條縫隙,難道電子會分身術嗎?因為兩條縫隙的距離雖然非常小(10∧-9米),但是對於電子來說,這個距離是電子身高的270億倍。
後來科學家發現,單個光子並沒有同時穿過雙縫,而是隻通過了其中一個縫,這表明此時的電子是以粒子的形態穿過去的,粒子一顆一顆打在螢幕上形成一條長光紋。那麼光子究竟是怎麼樣做到的!這個問題不斷困擾著所有人!:
如果我們根據電子的速度,當確定它已經透過雙縫之後,迅速的在後面的板上放上攝像機,會出現什麼情況?
結果是當我們在確定電子已經透過雙縫後,迅速的在後面的板上放上攝像機的結果是—沒有干涉條紋,無論實驗人員如何努力,干涉條紋都不再出現!
反之亦然,如果迅速的拿掉攝像機,又會出現干涉條紋,即便我們在決定拿掉攝像機的時候,電子已經通過了雙縫!
也就是說無論單個電子有沒有透過雙縫,只要我們一旦產生想觀測的想法併產生了這個行為,那麼就不會產生干涉,條紋也就不會出現。
究竟是攝像機,影響了電子的行為,還是人類的意識,影響了電子的行為呢?也或者真的是有造物主的存在,它設定好了一個既定的執行法則,不允許任何人窺探,也不容任何人打破,而人類的想法一旦產生,過去就會發生改變,從而修正最終的結果!
後來約翰·惠勒提出了一個相當令人吃驚的構想,也就是所謂的“延遲雙縫干涉實驗”,延遲實驗的原理相當於把探測器移到了擋板和螢幕之間,讓粒子先做出選擇然後再觀察。
例如當單個光子透過擋板後,瞬間開啟探測器,這時單個光子透過兩條縫已經成為了事實,我們再觀察它的運動路徑發現它只通過了一條縫,並且這時干涉條紋消失,只剩下一個亮點,這就相當於將因果關係顛倒了!
想了解具體完整實驗的可以去看影片
你的觀察令波函式坍塌,在量子力學的世界裡,現在做的事情,可以改變歷史上已經發生的事情。
科學家最後還把這個實驗上升到了宇宙角度,科學家觀察到,數百萬光年以外的某個恆星,它在向地球方向發出光子,而它中間會經歷一個質量巨大的星系,根據愛因斯坦相對論,這個星系將導致空間膨脹進而使光線彎曲,這個星系實際上相當於一個巨大的分光鏡,將光子分成上下兩條路徑。
而在最右側地球上的我們,設定兩個望遠鏡分別對準上下兩條光線通路,那麼每個望遠鏡將觀察到作為粒子性質的光子,不會發生干涉圖案,因為光子或者從上面繞過來,或者從下面繞過來。
科學家提出,用望遠鏡、光導纖維等工具,把兩條路上的光子引誘到延遲實驗裝置,從而完成星際版延遲雙縫干涉實驗!
然而這個時候,每個望遠鏡觀察到作為粒子性質的光子,並不會發生干涉圖案,因為光子或者從上面繞過來,或者從下面繞過來。
而如果我們改用分光器把上下兩個方向來的光線合併,我們卻可以再次得到光子自身的衍射圖案,從理論上來說這是不可能的。作為粒子一路旅行過來的光子是無法產生衍射圖案的,必須是波才行。
要知道,它們在數百萬年就已經出發,它們的旅程早已在出發前就已經被決定,也就說,當人類決定觀察它們的時候,它們在數百萬年前決定好的旅程路線就發生了變化!
這種詭異的現象彷彿光子是有生命的,被人發現了就變成粒子態,沒被發現就偷偷變成波態,完全顛覆了認知。
目前來說,還沒有哪個科學家能夠對此作出完美的解釋,惠勒後來引玻爾的話說,“任何一種基本量子現象只在其被記錄之後才是一種現象”,我們是在光子上路之前還是途中來做出決定,這在量子實驗中是沒有區別的。歷史不是確定和實在的——除非它已經被記錄下來。更精確地說,光子在透過第一塊透鏡到我們插入第二塊透鏡這之間“到底”在哪裡,是個什麼,是一個無意義的問題,我們沒有權利去談論它,它不是一個“客觀真實”!惠勒用那幅著名的“龍圖”來說明這一點,龍的頭和尾巴(輸入輸出)都是確定的清晰的,但它的身體(路徑)卻是一團迷霧,沒有人可以說清。
然而惠勒的解釋依然沒有撥開這個實驗所籠罩的迷霧,宇宙還存在著太多的未知等待著我們去探尋謎底。