“遇事不决,量子力学”这一句话曾经火爆了很长一段时间,凡是接触到网络的人都几乎听说过这一个梗,而它的大概意思就是遇到无法解释的事情,就用深奥难懂的科学力量来蒙混过关。

之所以会有这样的一句话,其实也是因为“量子力学”实在是一门大的学问,相当一部分的人都很难搞懂它到底是什么,甚至常常被它绕晕。

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然而在量子力学中也有人说过这样的话——如果能完全搞懂“双缝干涉实验”,那么我们也就真正入门了量子力学。可能有人在这里就会开始蒙圈了:怎么就提到“双缝干涉实验”了,这个实验又是什么呢?别急,我们慢慢看下去。

双缝干涉实验

在以前,科学界对于光究竟是粒子还是波的问题争论了100多年,这个疑问也成为了科学家们眼中的“朱砂痣”、“白月光”,虽然看不透摸不着,却依然时时地想着念着,为其寝食难安。

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后来牛顿在他的《光学》中表示,光不是一种波,而是由粒子组成。因为牛顿以往的出色成就,这一观点被当时的科学界广泛接受,但也因此使得人们对于光学的认识并没有突破性的进展,另外一种“波动说”无法出头。

直到19世纪初年,一位叫做托马斯·杨的科学家进行了一场实验——光干涉实验,向人们表明了“权威并非真理”的道理。

这个实验其实非常简单,即在一扇百叶窗上面戳一个小洞,再用厚厚的纸片遮挡,同时又在该纸片上面再开了一个与百叶窗相对的洞。

随后,托马斯·杨把一道光线从百叶窗和厚纸片的洞里透过,并将该光线用镜子反射出去,再拿一张厚度大概为0.033英寸的纸片将光线从中间拦截,形成两束光线。

最终托马斯·杨居然发现这两束光线会相互干涉,会如同波纹一样,能够呈现出相交的光线与阴影的条纹形状,这也成为了对牛顿光粒说的巨大冲击,为波动说做出了非常巨大的决定性证据,它也被称为是非常经典的杨氏干涉实验。

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当然,量子力学中的双缝干涉实验要远远比杨氏干涉实验更加复杂一些,也更加“玄学”一些。

根据传统的杨氏干涉实验,我们可以得知从两个夹缝中透出的光呈与自己产生互相干涉的情况,使得出现在平面上的现象如同条纹一样明暗交织。

但是这种实验都是通过发射了一大片的光子,数量如此多的光子运动之下,也可以被认为是光子与光子之间发生的干涉。

那么如果一次只发射一个光子,并根据传统的干涉实验,放上两个缝隙,即缝隙1和缝隙2,按照以前的理论,这个单光子通常情况下要么只会穿过缝隙1,要么只会穿过缝隙2。

并且由于每一次只有一个光子运动通过,它无法与其他的光子发生干涉反应,也就应当不会产生条纹的形状,只会在投射的平面上形成均匀的光斑。

然而实验的结果却表示,即使是每次只有一个光子,它所投射在平面上的仍然是被干涉后形成的明暗交织的条纹。这也就说明了,光子也会在运动的过程中呈现出波的性质,似乎同时透过两个缝隙,并且这个单光子与自身发生了干涉的现象。

这还不是最神奇的事情——当科学家们试图寻找单光子的运动轨迹,也就是每一个光子到底是从哪一个缝隙中穿过的的时候,“意外”发生了。

在他们将另外一个感应仪器放在一旁的时候,却发现光子似乎知道了人类正在对它进行观察,从而诡异地呈现出粒子的性质,老老实实从一个缝隙中穿过,而不会再形成相互干扰现象,也就不会出现条纹的光斑。

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当科学家们将感应仪器挪走后,光子又敏锐地察觉到了这个变化,投射平面就再次出现了条纹光斑。

科学家们也发现了光子的“狡猾”,于是提出了“延迟双缝干涉实验”,即在确定光子已经通过了两个缝隙,但还未达到投射平面的时候利用摄像机来观测它,但结果依然与以前一样,没有突破性的进展。

这就是双缝干涉实验的神奇之处,因为它涉及到了量子力学中的量子测量和量子叠加。

量子测量不同于其他的测量,一旦对一个量子系统进行测量,那么被测量的量子系统的状态就会发生改变,可能原本还是一样的状态,可被测量后得到了与之前没有丝毫相同的结论。

这就像是双缝干涉实验中的光子一样,不被测量的时候呈现波的性质,形成明暗的条纹,可是如果对其进行测量,光子又会如同粒子一样,展示出来的也只是两道简单的光束。

量子叠加就可以简单理解为光子由于被测量与不被测量的两种行为,也就具有了粒子与波的两种不同形态,是一个量子系统在不同量子态的叠加态上。

或许有人还是无法理解,那我们可以转向另外一个量子力学中的实验——薛定谔的猫。

薛定谔的猫

一位叫做薛定谔的科学家向世人们提出了一个思想上的实验,从宏观上解释了微观的量子叠加原理。

这个思想实验是将一只猫放在一个密闭容器里,这个容器当中自然不会只有猫这么简单,还被放置了少许的镭以及氰化物。薛定谔认为,镭有50%的可能会发生衰变,也有50%的可能不会发生衰变。

一旦镭发生了衰变,那么就会触发一个机关,从而打碎装了氰化物的瓶子,这种剧毒物质就会导致猫死亡。反之,若是镭没有发生衰变,氰化物的瓶子也不会碎掉,猫也就会活下去。

而根据量子力学,镭的放射性会导致它会呈现衰变和未衰变不同形态的叠加状态,猫也就会因此出现死或者活的叠加。

通常情况下,要想知道猫死没死,那么我们打开这个密闭的容器就能得知消息,然而因为量子测量的原理,在我们没有对其进行测量的时候,容器中的一切都是呈现不确定的“波”,猫的状态是生和死的叠加。

但是当我们打开容器进行观测的时候,容器里面的物质现象就会在我们打开的那一瞬间确定,呈现出“粒子”的形态,或者是随机坍缩形成一种确定状态。

换句话说就是,只要我们没有打开容器,猫的生死状态不确定,但是当我们打开容器,“我们的观测行为”就会影响猫的状态,从而导致猫的存活或者死亡。

当然,买彩票与量子力学是不存在联系的,在我们选择一张彩票时,它的结果其实是既定的事实,是不会被“我们本身”所影响,不会因为我们买了这个数字,导致它发生不一样的变化,因此两者并不能混为一谈。

平行世界与双缝干涉实验有关?

双缝干涉实验和薛定谔的猫一直以来都没有被人类所解决,后者更是成为了物理学四大神兽当中迄今为止唯一一个没有被解决的难题,依旧在量子力学的夹缝中蹦跶,成为了科学家们挠秃脑袋的罪魁祸首之一。

在1957年,27岁的美国科学家休·艾弗雷特发表了“多宇宙诠释”,他表示,量子测量带来的其实可能不是坍缩的现象,而是分裂——宇宙在诞生以来,就产生出了无数次类似的“分裂”。

还是拿薛定谔的猫来举例,我们在进行这个实验的时候,容器中其实存在着两个世界,分别对应着猫的不同形态,其中一个世界的容器中猫是活着的,另外一个世界里猫却是死亡的,只是两个世界处在纠缠的状态。

当我们打开容器,对容器中的物质进行测量时,这两个世界才会“分裂”开,一个成为我们所观测的世界状态,一个则形成了平行的宇宙世界。

又比如在我们进行双缝干涉实验的时候,其实在光子穿过两个缝隙时,世界也会被分成两个不同的平行宇宙,当我们观测到一个光子穿过了缝隙1,那么很有可能在另外一个平行宇宙中,还有一群跟我们完全一致的人却发现光子穿过了缝隙2。

之前我们提到了,光子在不被测量的时候呈现波的性质,被测量期间出现粒子形态,而撤掉测量的行为时,光子又会回到波的形态。

这种现象也在多宇宙诠释理论中有一定的解释,这或许是因为在我们进行观测时,所使用到的仪器、人类本身都是由大量的粒子构成的,从而会导致两个平行宇宙的分裂。

如果我们不再进行观测,那么实验中的粒子数量太少,还无法引起宇宙产生分裂,成为另外一个平行宇宙,所以两个平行宇宙之间没有被彻底分离开。

也因此,世界上可能存在着多个互相不会发生“碰撞”影响的平行宇宙,甚至我们在面临不同选择的不同决定,都会导致两个不同平行宇宙的产生。

可能在另外的某个平行宇宙里,世界根本不存在疫情,我们依旧过着曾经想去哪就去哪的休闲日子。