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双缝干涉延迟实验到底验证了什么,为什么说它的实验结果很恐怖?

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双缝干涉延迟实验:打破你我对现实的认知

你是否曾想过,我们所处的这个世界,究竟是真实可靠的,还是隐藏着某种我们无法理解的诡异规律?双缝干涉延迟实验(DelayedChoice DoubleSlit Experiment),就是这样一种能让你彻夜难眠、颠覆你固有认知的神奇实验。它不仅仅是物理学家们的游戏,更是对我们赖以生存的“现实”本身发起的深刻拷问,而它的结果,的确可以用“恐怖”来形容。

先从经典双缝干涉说起

要理解延迟实验的“恐怖”,我们得先从它的基础——经典双缝干涉实验说起。想象一下,你站在黑暗中,手里拿着一盏小小的手电筒,前面有两道细细的缝隙,缝隙后面是一块屏幕。你把手电筒的光束对准这两道缝隙。

如果你认为光是由无数个小粒子组成的,就像无数颗微小的弹珠一样,那么你可能会预期,这些“弹珠”会穿过缝隙,在屏幕上形成两个明暗交错的条纹——对应着两道缝隙直接打上去的部分。就像你往墙上扔弹珠,它们只会堆积在弹珠投掷路径的正前方一样。

然而,实验的结果却大相径庭。在屏幕上,我们看到的不是两个简单的条纹,而是一系列明暗相间的条纹,仿佛海浪在传播一样。这就是所谓的“干涉条纹”。这种现象,只有当光被看作是一种“波”时才能解释。波在传播过程中,会发生叠加和抵消。当波峰遇到波峰,就会增强,形成亮条纹;当波峰遇到波谷,就会抵消,形成暗条纹。

这本身就已经够令人惊奇了:光既表现出粒子的性质(可以被看作一个个光子),又表现出波的性质(可以发生干涉)。这种“波粒二象性”是量子世界的基本特征,已经够让人匪夷所思的了。

“延迟选择”的魔鬼降临

现在,让我们进入“延迟选择”的领域。经典双缝实验的奇怪之处在于,一旦你试图去“看”光子到底走了哪条缝隙——比如在缝隙后面放一个探测器,试图捕捉每个光子穿过的是左缝还是右缝——那么奇迹就发生了:屏幕上的干涉条纹消失了!取而代之的是两个明暗条纹,就像那些“弹珠”一样。

这就好像,光子知道你在“监视”它,于是它就立刻改变了自己的行为模式,从“波”变成了“粒子”。这已经足够让人费解了。难道光子有意识?它能感知到我们的观察?

延迟选择实验的精妙之处在于,它将这个“选择”的时机往后推迟了,而且推迟到了一个关键时刻——在光子已经穿过了双缝,但还没有到达屏幕之前!

想象一下,我们修改了实验装置。当光子已经穿过双缝后,我们不再让它直接打到屏幕上,而是让它经过一个特殊的装置。这个装置有一个巧妙的设计:它可以根据我们的“指令”,让光子走“知道它在哪条缝”的路径,或者走“不知道它在哪条缝”的路径。

情况一:我们选择让光子“知道它在哪条缝”。 也就是说,我们设置了一个探测器,在它到达屏幕之前,去确定它究竟是从左缝出来的,还是从右缝出来的。正如我们前面所说,一旦我们这样做,光子就会表现出粒子的行为,屏幕上只会出现两个条纹,没有干涉条纹。
情况二:我们选择让光子“不知道它在哪条缝”。 也就是说,我们不进行任何探测,让光子继续自由传播。在这种情况下,它就会像一个波一样,在屏幕上形成干涉条纹。

恐怖的真相:过去被“决定”了?

这个实验的恐怖之处在于,这个“选择”发生在光子穿过双缝之后,甚至在它即将到达屏幕的时候,而实验结果却好像是光子“预知”了我们未来的决定一样!

换句话说,在我们做出选择的那一刻,光子的过去竟然被改变了!

如果我们在光子穿过双缝后,决定进行探测,那么它在那一刻就“选择”了做粒子,然后只打出两个条纹。反之,如果我们决定不探测,它就“选择”了做波,然后形成干涉条纹。

这就好像,我们拥有了改变过去的能力。我们不是在“观察”一个已经发生的事件,而是通过我们当下的“选择”,来“决定”事件过去的“性质”。

这个实验到底验证了什么?

1. 量子世界的非定域性(Nonlocality)和概率性: 量子事件的发生,并不像经典物理那样是完全确定的。在没有观测的情况下,粒子同时处于多种可能的状态(例如,同时穿过左缝和右缝)。只有当我们进行测量时,这种叠加态才会“坍缩”到一个确定的状态。延迟实验更是将这种“坍缩”的触发机制推向了更加匪夷所思的地步。

2. 观察者的作用与现实的联系: 这个实验极大地挑战了我们对“观察”的理解。它暗示,观察者并非一个被动的记录者,而是现实的创造者之一。我们对事物的观测方式,直接影响了事物的行为,甚至塑造了它的过去。这引发了关于“意识”在量子力学中扮演何种角色的哲学讨论。

3. 因果律的失效或重塑: 传统的因果律认为,原因必须发生在结果之前。但在延迟实验中,我们的“未来选择”似乎影响了“过去的事件属性”。这可能意味着我们对因果律的理解需要被彻底颠覆。

为什么说它的实验结果很恐怖?

打破了我们对“现实”的直观理解: 我们习惯于认为,世界是客观存在的,无论我们看不看它,它都按照既定的规律运行。但延迟实验告诉我们,至少在微观层面,现实是模糊的、不确定的,并且与我们的观测行为紧密相连。这就像你以为你在看一幅画,结果发现这幅画会根据你的目光来改变自己的色彩和形状。

挑战了我们对时间与因果的认知: 过去和未来,在我们看来是泾渭分明的。但延迟实验似乎模糊了这一界限,让我们怀疑因果链条的坚固性。难道我的一个“现在”的决定,真的能修改“过去”的发生方式?这听起来就像科幻小说里的情节,但却是被实验反复验证的事实。

暴露了我们认知的局限性: 这个实验就像一个巨大的问号,指向了人类认知的边界。我们用逻辑和直觉建立起来的世界观,在量子世界面前显得如此脆弱和不完整。我们所认为的“真实”,可能只是我们大脑对某种更深层现实的一种简化和映射。

简而言之,双缝干涉延迟实验的“恐怖”之处,在于它毫不留情地揭示了我们对宇宙最基本认知的偏差。它告诉我们,我们所处的现实,远比我们想象的要诡异、要灵活、要充满未知。它让我们不得不重新审视“存在”、“观察”、“时间和因果”这些最根本的哲学概念,并在量子物理的迷雾中,感受到一种难以言喻的敬畏和不安。

网友意见

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你观察一只飞行中的蚊子时,尽管它不停的飞来飞去,但实际上它在每一个时间点里只会出现在一个位置,这就是粒子性。波动性的现象也简单,你往平静的水平扔一颗小石头,当它落入水中的时候所产生的涟漪就是波动性,而当你连扔两个小石头的时候,当它们产生的波纹互相接近时,就会产生波的干涉现象。

在我们的常识中,我们观测到的现象,要么表现出粒子性,要么表现出波动性。而在微观世界里,我们的常识就不是那么好用了,因为那些微小的粒子,它们具有“波粒二象性”,简单的讲,就是它们的行动方式既可以是波动性质,也可以是粒子性质。

“双缝干涉实验”就是为了演示微观粒子的波粒二象性而做的实验。其具体方式为:连续发射单个的电子穿过有着两条缝隙的障碍物,最后这些电子会落在用于观测的屏幕上,以便于观察,在重复了很多次的这个过程之后,其实验结果如下图所示。



我们可以看出,这个实验结果显示出了干涉现象,也就是说电子在运动过程中表现出了波的性质,它能够以波的形式同时穿过两条缝隙,并且“与自己产生干涉现象”。看到这里,你肯定会认为这并没什么“令人困惑”的,别急,我们接着讲。

虽然我们无法直接看见电子,但是可以通过感应装置来观察它,为了搞明白电子在这个过程中的运动轨迹,研究人员在两个缝隙上都安装了能够观察电子的感应装置,这样我们就可以知道,电子到底是通过了哪一个缝隙。



然后诡异的事情就发生了,当研究人员安装了感应装置之后,再次进行双缝实验时,他们惊奇的发现,电子的干涉条纹消失了,不管发射了多少个电子,它们都只表现出粒子性。而当研究人员移除了感应装置,电子的干涉条纹马上就又出现了!这个实验的结果让科学家非常困惑,为了保证电子的运行轨迹不被干扰,研究人员使用了摄像机来对电子进行观测,但其结果还是和以前一模一样。

“好吧,既然这样,那么我在确定你通过了缝隙之后,再来拍摄你总可以了吧?”研究人员这样想到,于是就有了“延迟双缝干涉实验”,其过程是这样的,当研究人员通过高科技手段确定电子处于“已经穿过了缝隙,但是还没落在挡板上”的时候,马上用摄像机来观测电子。然而令研究人员目瞪口呆的是,这个实验的结果依然和之前的实验结果相同!



研究人员并不甘心,他们又做了更高级的“量子擦除试验”,这次他们的实验对象是光子。这个实验利用了光子的偏振性以及量子纠缠原理,他们在两个缝隙上安装了不同的介质,当光子通过某个缝隙的时候,由于介质的存在,它的偏振性就会发生改变,如果这个光子是与另一个光子处于量子纠缠态的话,那么另一个光子的状态也会发生相应的改变。

简单的讲,有一对处于量子纠缠态光子A和B,一个研究人员将光子B用来实验,另一个研究人员却“偷偷的”通过光子A来观测光子B的状态。由于量子纠缠的超距作用,研究人员就可以神不知、鬼不觉的观测用于实验的光子。

看到在这里,我们不得不佩服相关研究人员的脑洞,居然能想出这样的方法。然而事实上,这个实验的结果仍然和以前的相同:当有观测者的时候,根本就不会出现干涉条纹,而没有观测者的时候,干涉条纹又诡异的出现!

关于“双缝干涉实验”还有很多的升级版,这里就不一一描述,但是这些实验的结果都是一样,即微观粒子就像是一个个有思想的、无所不知的精灵,当没有观测者的时候,它们是一个个波函数,而当它们知道有人在观测它的时候,它们马上就只表现出粒子性,从不例外!



“双缝实验”的结果,使人们或多或少的对这个世界的真实性产生了怀疑,如果我们没有观测的时候,那些除了我们自己可以观测到的人和事以外,其他的很多人和事会不会都是以“波函数”形式存在?当我们观测到某个人的时候,这个人就变得真实了,他(她)的过去、现在也就被确定了?而当我们不再观测这个人,那么他(她)是不是又回到了“波函数”的形式呢?

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