做单光子双缝干涉实验验的时候看见的是一张卡通笑脸是怎么回事？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-09-21 08:30 标签： 单光子双缝干涉实验
量子力学的疑问结果先于意识，还是意识先于结果？以人类常规的思考逻辑来看，我们一定会不假思索地回答道是意识存在影响了结果本身。可事实真的是这样吗？如果现在要说所有的结果都是注定选择好的，无论我们的意识如何，选择怎样，最终的结果都已经定好了，人们会怎么想呢？现代物理学中很少有科学实验像双缝实验这样离谱，它向物理界传达的一个最直接的信息便是：光和物质既可以作为波，也可以作为离散的粒子，这取决于它们是否被观察到。尽管如此，双缝干涉实验的过程和结果仍是量子力学的一大谜团。为了方便理解双缝实验证明了什么，我们得从量子力学中去寻找答案。1925年，维尔纳·海森堡给马克斯·博恩提交了一份论文回顾，这份论文展示了如何测量亚原子粒子的属性，例如它们的位置、动量和能量。博恩表示这可以通过数学矩阵来表达，单个粒子有明确的凸形和描述，这为后来的量子力学矩阵描述奠定了基础。同时期内，薛定谔发表了他对量子力学的波动理论，在他的理论中，粒子的定义可以是波形的方程。也就是说，粒子其实是波。科学家对量子力学的进一步研究产生了“波粒二象性”的概念，这也是量子力学的定义特征之一。根据此概念，亚原子实体可以被描述为波和粒子，但这取决于观察者如何测量它们。量子力学在普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、薛定谔等人的工作下，当前的科学理论都认为所有粒子都表现出了波动性，反之亦然。另外波动性的表现不仅在基本粒子方面得到了验证，即便是原子甚至分子更大维度的复合粒子上也得到了验证。然而在宏观粒子中，由于波长太短，通常无法通过科学实验来检测波的特性。观察者决定量子实体如何显现，如果我们试图测量一个粒子的位置，那么测量该粒子的位置时，它便不再是波。但如果去试图定义它的动量，人们又会发现它的行为和波一样。除了它存在于该波中任何给定的概率外，科学家无法确定它的位置。本质来看，将其作为粒子或波来测量，决定了它会以什么形式出现，而双缝实验正是证明这种波粒二象性最简单的例子。是波还是粒子？值得一提的是，双缝实验远远早于科学家们在20世纪对量子力学的描述。自英国科学家托马斯·杨在1801年首次进行实验来，这个问题已经困科学家200多年。杨的实验让他发现，光会像波一样出现。如果我们用两个平行的狭缝在墙上照射一束光时，假设光束只有一个波长。当光线穿过狭缝时，每个狭缝都会出现新的光源并在分隔后的另一侧出现。来自每个狭缝的光会出现衍射，并于来自另一个狭缝的光进行重叠且相互干扰。任何波都可以产生干涉图案，无论是声波、光波还是穿过水体的波。当波峰在波谷发生撞击时，它们彼此会抵消，这被称作相消干涉，并会显示出暗带。当波峰撞击波峰时，它们则会相互放大。这被称作相长干涉，并会显示出亮带。亮带与暗带的组合便被称为“干涉图案”，这可以在狭缝对面的墙壁或是屏幕中看到。对于光子或电子这样的量子实体，它们虽然也是单个粒子，但如果将它们通过双缝射出一个光子时会发生什么呢?光子在实验中出现的条纹干涉图案表明，单个光子的行为就像通过了两个缝隙一样，这使它的表现是一个波。如果在狭缝前设置一个检测器，它可以观察光子并在检测光子通过时亮起，检测器会在检测时有50%的时间点亮。此时屏幕上留下的图案会发生变化，它看上去就像两道光杠。如果在墙后面设置探测器，旨在光子穿过狭缝后才进行检测，便会得到相同的结果。这意味着即使光子会以波的形式通过两个缝隙，一旦被检测到，它就不再是波而是粒子状态。不仅如此，从另一个缝隙出现的第二波也会坍缩回去，通过另一个缝隙检测到粒子。相关的实践表明，通过双缝隙射出的单个光子越多，探测器在50%的时间里越接近探测到光子。这就好比抛硬币会随着抛投次数越多，正反面的概率会越接近50%。这似乎说明，宇宙以某种方式同样在观察实验者，双缝中的实体量子态也受概率定律支配，因此科学家们无法确定一个物体的量子态是什么。显然，波和粒子产生了截然不同的模式，它们本应该很容易地被区分。可一旦进入量子力学领域，事情便会出现这种诡异的情况。原子尺度上，如果我们进行单缝实验，并将光子发射到传感器屏幕上。光子会在屏幕上显示为一个点，这时我们可以认为光子是粒子。可一旦打开两个狭缝，就会出现干涉。如果单个地发射光子，如果它们没有机会互相干扰，那它们会表现得像粒子还是波呢？二重奏这便是双缝实验最恐怖的地方，起初光子会以随机散射的方式出现在屏幕上。但随着光子越来越多，干涉图案开始出现，每个光子本身都会对整体波状造成影响。按理来讲，一次发射一个光子，它们之间不应该出现干涉才对。缝隙、光子、探测器都是相同的情况下，探测器关闭后，粒子状图案便不会出现。此时，粒子的表现会再次在屏幕上形成波状的干涉图案。当我们不去观测它的时候，它是波，当我们观测它的时候，它是粒子。光子似乎知道它们处于波态中会去向哪里，就像影院中观众没有分配座位就出现了，但每个人却又知道自己该坐哪里。粒子的所有可能路径都可以相互干扰，即使实际存在的路径只有一条，所有现实同时存在，直到最终结果出现。（这类似于叠加态概念）双缝实验在哥本哈根解释中，玻尔和海森堡为其提供了一种看法。但两人关于量子力学的看法并不统一，玻尔提供了一种独立于主观观察者或测量的解释崩溃，它依赖于一个“不可逆”过程，并可能发生在量子系统中。海森堡则强调观察者和被观察者之间的“切割”，两者无法真正观测到彼此。另一个重要问题便是波粒二象性，两人的看法在实验本身和数学定义种出现了分歧。哥本哈根解释否认了波函数提供了普通物质体的直接可理解的图像，或某些此类物质的可辩别成分。从波函数来看，它是一个数学实体，它为系统上每个可能测量的结果提供概率分布。而量子态的知识还有系统随时间演化的规则，含进了所有可预测的系统行为。也就是说，观测和测量物体的行为不可逆，除非根据物体的测量结果，否则不能将任何真理归因于物体。双缝实验的观测和结果可以同时存在，观测本身就会导致粒子发生变化，从而影响结果。换位到哲学中，选择意识是否还具备重要性，结果是否重要。如果说意识会影响结果，可结果在一开始就被定下，那选择是否还有意义？这便是量子力学在今天给人们带来的思考。
双缝干涉试验，作为高中物理课上的入门级知识，每一位理科生都曾学过。但物理老师只会告诉你这个实验如何做，说明了什么，却不会告诉你这个实验背后，隐藏着至今都无法解释的诡异现象。简单回顾下试验，如上图，我们准备一个蜡烛，在蜡烛后面放置一块只有一条长缝隙的挡板，这个挡板的作用是让蜡烛发出的光先衍射，变成一束稳定的相干光源，这样可以排除干扰，能更清晰地观察到试验结果。然后在后面放置一块有两条长缝隙的挡板，第二块挡板的作用是让相干光变成同样的两列光源，这两列光源发生干涉，相位相同效果就加强，相位有差就抵消，最后再放置一块黑色屏幕，承接干涉产生的明暗条纹。这个实验证实了光具有波动性，不仅仅是粒子。波粒二象性不仅存在于光子中，质子、电子和其它基本粒子都具有这种特性，它们即是一种粒子也是一种波。所以用电子进行双缝干涉实验，也会出现明暗的纹路，并且电子更容易观察。于是，物理学家克劳斯用单个电子进行了双缝干涉实验，电子发射器对着双缝挡板的其中一条缝发射单个电子，一个电子发出后间隔微小的时间再发出第二个电子，没想到也能出现明暗条纹。要知道，之前用蜡烛作为光源是一大堆粒子同时通过双缝，而单独一个电子通过双缝也能产生明暗条纹，则说明一个电子是同时通过了两条缝，自己和自己发生干涉。电子刚发射时是一个粒子，通过双缝就变成了波，这不难理解，毕竟电子也具有波粒二象性，所以发出的单个电子是以波的形式同时穿过双缝，自己和自己干涉后，再在屏幕上形成明暗纹路。接下来，诡异的事情要发生了。科学家在双缝前安装了粒子探测器，想要观察单个电子究竟是从哪条缝穿过去的时候，屏幕上的明暗条纹消失了，也就是说这时发射的单个电子并没有同时穿过双缝，而是只通过了其中一个缝，这表明此时的电子是以粒子的形态穿过双缝的，粒子一颗一颗打在屏幕上形成一条长光纹。而当科学家撤走探测器，不观察粒子运动经过哪条缝时，屏幕上明暗纹路又出现了！这时一个电子又变成同时通过双缝，这表明对电子进行观察会影响电子的状态，电子是粒子还是波，取决于外界的观察！这种诡异的现象仿佛电子是有生命的，被人发现了就变成粒子态，没被发现就偷偷变成波态，完全颠覆了认知。为了进一步解释这种现象，科学家设计了延迟实验，但结果更是毁三观。我们之前的观察是在粒子未通过挡板前观测的，我们观察，粒子就具有粒子性，一个粒子只通过一条缝隙；我们不观察，粒子就具有波动性，是一种波能同时通过两条缝。延迟实验的原理相当于把探测器移到了挡板和屏幕之间，让粒子先做出选择然后再观察。例如当单个光子通过挡板后，瞬间开启探测器，这时单个光子通过两条缝已经成为了事实，我们再观察它的运动路径发现它只通过了一条缝，并且这时干涉条纹消失，只剩下一个亮点，这就相当于将因果关系颠倒了！你的观察令波函数坍塌，在量子力学的世界里，现在做的事情，可以改变历史上已经发生的事情。这与宏观世界的法则完全相反，对于这种诡异的现象，目前科学家也没能给出解释，理论物理在量子力学和相对论之后已有将近100年没大发展了，后人都是在这两大基础上修补而已。
双缝干涉实验顾名思义就是光通过两条平行的狭小缝隙后，投射在屏幕上的状态，看似简单无奇，可实验结果却像玄学的灵异事件令人惊悚莫名。其实双缝干涉实验历史悠久，皆源于光的波动说与粒子说的百年争斗。光到底是粒子还是波？这曾是物理学界争论不休的话题。所谓粒子，简单说就像一个个光滑的玻璃珠子。每当我们打开手电筒，无数光子就像子弹笔直的射向远方。诸如牛顿、普朗克等许多著名科学家，都凭借权威实验确凿无疑证明光是粒子。而所谓的波，简单说就像瓦片掷入水中产生的水波纹一样。如果把光看成波，那么衍射、偏振等光学现象就能完美解释了。诸如惠斯顿、赫兹等许多著名科学家，也通过权威实验确凿无疑的证实光是波。可是粒子与波是截然不同的东西。粒子可以分割成一个个最小单位，单个粒子不可再分，而波则是连续的能量分布。粒子皆是直线前行，而波则是同时向四方发射。粒子可以静止在某个固定位置，而波则必须呈动态在空间运动。总之波与粒子之间存在不可调和的矛盾，由此波派与粒派争论不休，谁也不肯妥协。18世纪，牛顿凭借其权威身份压制的波动说黯淡无光，直到1836年，英国科学家托马斯.杨发现光通过两条平行的狭小缝隙后，呈现明亮条纹与暗淡条纹相间的斑马线条纹。干涉衍射是波特有的性质，托马斯.杨的实验使波派逆势上扬，自此光到底是波还是粒子，成为物理学界核心议题。直到1924年，有人如恍然大悟般提出也许粒子在某个时刻像波，而波也可能在某个时刻像粒子，那么光为何不能两者兼而有之呢？简单说就是光具有波粒二象性。真理确实只有一个，可真理的表现形式也许有千万种，只不过人类始终属于盲人摸象各执一词的阶段罢了。光到底是粒子，还是波亦或波粒二象性，那么就要利用双缝干涉实验来验证了。双缝干涉实验科学家在一张纸板上开两条平行的细缝，用一把光子发射枪发射光子，然后观察光子通过细缝后，投射在探射屏上的光斑形状。根据科学家推测，如果光是纯粒子，其他方向的光子都被纸板遮挡了，那么通过双缝的光子会直射到探射屏形成两道平行的两道杠。如果光是纯波，那么光通过双缝后会形成两道波源进行干涉，波峰与波峰叠加形成明亮光条，波峰与波谷则互相抵消形成暗淡光条，投射在探射屏上就形成明暗相间的唯美的斑马条纹。而如果光是波粒兼有，那么光通过双缝后，会出现两道杠与斑马线混杂状态。简单说两道杠就是粒派胜出，斑马条纹就是波派胜出，两种状态混杂的四不像代表波粒二象性则属平局。第一次实验光射枪发出光子通过双缝后，形成标准斑马线，明摆着波派大胜。可粒派不服气，明明知道光是粒子，为何会出现斑马线呢？那么就一个一个光子发射，再重新做一次实验。第二次实验，将光射枪调至点射状态，一个光子一个光子发射通过双缝，令人震惊的是当发射光子数量少时，探射屏上只有杂乱无章的光斑，可随着发射光子数量增加，探射屏上竟然出现了明暗相间的斑马线条纹。这怎么可能呢？如果光真的只有波动性，粒派甘愿认输。可问题是，斑马线是通过双缝的两个波源互相干涉叠加而成。而一个光子不是通过左边缝隙直射，就是通过右边缝隙直射，它又是被谁干涉叠加呢？难道光子遇到双缝会分裂成两半，同时通过双缝后，自己干涉自己吗？那么一不做二不休，继续做第三个实验弄清光子如何通过双缝。第三次实验，在探射屏两边分别安装摄像头，同时依旧点射光子。如果那边的摄像头看到光子，就是光子通过那边细缝。结果一边摄像头看到光子，另一边就看不到光子，并没有发现半个光子出现。那么光子就是粒子，只不过不知其通过双缝后，如何变成了两道波源形成了干涉条纹。也许这就是所谓的波粒二象性吗？可诡异的事情发生了，探射屏上并没有出现预想的干涉条纹，而是出现了两道简单的杠。见鬼了吗？全世界的科学家都懵头了。第二次与第三次实验的区别，只是第三次实验加了摄像头观察，难道没有摄像头观察，光就是波，有摄像头观察，光就是粒子吗？光是波还是粒子，难道由观察者是否看一眼决定吗？于是有些脑洞清奇的聪明人，大胆推测光子是智能极高的外星Al机器人。当光射枪发射光子时，光子已经开始观察，如果发现有摄像头就表现出粒子状态，如果发现没有摄像头，只有屏幕，就表现出波的特性。如此脑洞大开的推测，不但未遭到大量抨击，甚至科学家还要为此进行第四次实验佐证，可见全世界已经被双缝干涉实验弄晕了头。灵异恐怖的双缝干涉延迟实验第四次实验，事先未加摄像头，当科学家预估光子通过双缝时刻，并在其通过后，以迅雷不及掩耳之势加上摄像头，这与1978年惠勒的延迟选择实验类似。实验结果是无论以多快速度加上摄像头，屏幕上都显示两道杠。反之即便事先有摄像头，哪怕最后一秒撤掉摄像头，屏幕就会出现明暗斑马线。我们需要注意，光子经过双缝之后才决定是否加摄像头，也就是说光子通过双缝时，就已经确定了将以何种方式出现。那么光子通过双缝时已经定型，可实验却又为何在最后一刻变化呢？难道光子真有高级智商？一个简单的实验使有关灵异甚或外星人的留言四起，科学家们崩溃般感觉到历经几百年时间构筑的理论体系已瞬间崩塌。结语其实托马斯.杨的实验并不恐怖，它是实证波动说的经典实验。而真正令人感觉恐怖反直观的则是属于量子力学范畴的双缝干涉延迟实验：一是光子一个一个打，也会出现干涉；二是只要观测光子通过哪条缝隙，干涉却消失了。这里就牵涉到了量子力学中的两个概念“态叠加”与“测量塌缩”。简单说双缝干涉延迟实验并不恐怖，只是不易理解，它为我们打开了量子魔法大门。玻尔为此总结出了量子力学三大原理：态叠加原理（在量子世界，一切事物都能处于不同状态，各种可能性并存）；测不准原理（叠加态无法精确测量）；观察者原理（虽然任何事物都有多种可能性叠加，但我们无法看到一个即黑且白的量子物体，只要我们观察，必然看到一个确定无疑的结果）。玻尔因完美解释了双缝干涉延迟实验一夜成名，却也四面树敌。按照玻尔说法，光子在观测瞬间，随机蜕变成多种可能性中一种，并将此过程命名为“塌缩”，可是“塌缩”到底经历怎样过程？玻尔自己也无法说清。由此许多人抨击玻尔理论反直观，其中bug太多，而薛定谔用一只不死不活，又死又活的混沌之猫给了玻尔理论致命一击。时至今日，虽然人类对量子力学有了进一步认知，量子通信卫星已经上天，可人类对量子世界所知还属皮毛。也许就像爱因斯坦所说：“我思考量子力学的时间百倍于广义相对论，却依旧想不明白。”，量子世界浩渺无边，我们所知渺如微尘，那些我们未知的世界就成了神秘玄学所在。

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