雙縫干涉實驗究竟為科學界揭開了什麼?

原本是一個普通的光子干涉實驗,但是卻沒想到在你觀測它和不觀測它時產生的結果居然不一樣,光子好像有自己的思想一般並且它好像有預知未來的能力知道自己在多久的未來將會被觀測到,從而讓實驗呈現不同的結果。

雙縫干涉實驗究竟為科學界揭開了什麼?

怎麼樣,是不是感覺不可思議?目前為止,整個科學界對於這種實驗現象仍舊難以找到合理的科學解釋,即便是最先進的量子理論。而這個現象流傳出來也不禁讓人衍生出一些不是那麼科學的猜測:光究竟是什麼?它會不會是另一個維度更高階的生命體?它又為什麼要去改變結果?

那麼雙縫干涉實驗究竟是怎麼一場實驗?是什麼樣的現象讓整個科學界都為之困惑甚至恐懼?接下來我們一起來探究一番。

光究竟是什麼?

自古以來,光就是神秘而崇高的存在。在古代,光成了人們的信仰,是被視為神明般的存在。而在如今這個科技發達的時代,隨著人們對光的認識一點點增多我們反而更弄不明白光究竟是什麼。光速是我們人類認知的極限。當超越光速後一切就都不一樣了,好像光在限制著這一切,為什麼又是光?

雙縫干涉實驗究竟為科學界揭開了什麼?

光究竟是什麼?這麼多年來對於科學界對於光的研究一直未曾停止。

最開始人們普遍認為光是以粒子的形式存在,何謂粒子?簡單來說,你可以將它想象成一個個的小球,不管這個小球多大或者多小,哪怕是最小的粒子夸克它也是可被觀測和測量的(有質量)。

光是粒子?

整個18世紀,在科技界的超級課代表牛頓的壓制下,光是粒子這一說法佔據著絕對的優勢。

因為我們可以阻斷一部分光,而另一部分光不受影響,它也可以在真空直線傳播。最主要的是光還能反射,這和我們平常生活中見到的實物粒子碰到阻擋後而產生的反彈多麼的像,這很難讓人不將光看成是有大量的微粒子組成。

雙縫干涉實驗究竟為科學界揭開了什麼?

1666年,牛頓更是用著名的三稜鏡實驗“證明”(注意這裡是引號,只是牛頓自認為)了光是由非常奧妙的微粒組成,光的分解和複合就如同七種顏色微粒的混合和分開,其實這也就是光的

“微粒說”

光是一種波?

儘管有牛頓這樣的權威在給光粒說站臺,但是這並不能阻礙科學家們對於光的探索。因為光的粒子說無法解釋一些光的現象,比如折射、比如

當光經過一種介質時會看到重影的存在,這個光粒子也是無法說清這個現象。

1655年義大利數學家格里馬第發現光在經過小孔之後會形成像水波經過小孔一樣的

衍射現象

,他馬上意識到,光不是“粒子流”,而是像水波一樣,向外傳遞振動形式的一種波動,這就是早期的

“波動說”

的來源!

雙縫干涉實驗究竟為科學界揭開了什麼?

但是,如果說光是一種波的話同樣有很多無法解釋的現象。

光如果是一種波動的話,為什麼不能像聲音一樣繞過障礙物?為什麼我們站在一堵牆後面能聽見對面的人說話而不能看見對方呢?

於是兩個學說紛紛擾擾爭吵了很多年,“粒派”和“波派”說也說服不了誰,但是鑑於牛頓的存在光粒子說長時間壓制著光波動說。

轉變

在科研界,學派之間的競爭絲毫不亞於華山論劍甚至大家見面就彷彿生死仇敵。這可是關於科學家們的追求和信仰,想要說服或者擊敗他們就必須要拿實實在在的實驗結果來。

19世紀初,科學界終於迎來了這個男人,他就是英國物理科學家托馬斯楊。他進行了著名的楊氏雙縫衍射實驗,他將光束照在兩條平行狹縫,在接收屏上呈現出一系列明暗相間的條紋,這是典型的波中的干涉衍射現象。於是,光的波動說受到莫名的鼓舞。

雙縫干涉實驗究竟為科學界揭開了什麼?

但是光既然是一種波,那麼它能在真空中傳播,它是依靠的何種介質?儘管科學家們提出了

以太這種說法,不過仍舊未能打消科學家們心頭的疑慮。後續果然光電效應證明了光的粒子性,於是光的波粒二象性便開始確立,不過這是題外話,咱們今天主要要討論的是讓人細思極恐的單粒子雙縫實驗。

細思極恐的單粒子雙縫實驗

楊氏雙縫衍射帶給科學界的卻遠遠不止於證明了光也是一種波,而是由他啟發了後續一系列的量子領域的雙縫實驗,並且帶來了至今仍讓整個科學界困惑“靈異現象”。

雙縫干涉實驗究竟為科學界揭開了什麼?

有了光的波粒二象性的理論支撐,於是開始有人提出了新的雙縫實驗思路。如果說用一束連續的光(大量連續發射的光子)照射雙縫後得到的是楊氏明暗交錯的紋路,那麼如果換成單個光子呢?

按理說,如果是一次發射單個光子的話兩個平行的狹縫它只可能透過一個縫。這個很好理解吧,就相當於我們拿槍射擊,一顆子彈只能從一個其中一個孔中透過對吧。那麼可以預計,實現結果應該是在接收屏上顯示兩道亮紋,而不會出現明暗相間的衍射現象,這個好理解吧?

然而實驗結果卻

令人震驚的,一開始光子數量較少時,螢幕上的光點看上去一片雜亂無章,隨著積少成多,漸漸顯出了斑馬線條紋,也就是說出現了波的衍射現象。

雙縫干涉實驗究竟為科學界揭開了什麼?

這是十分不符合常理的,因為按照波的干涉理論這種現象需要兩個波源之間的互相干涉疊加,既然是一個一個光子地透過,那麼必然同一時間只存在一個波源,要麼是透過a縫的波源,要麼是透過b縫的波源,因此不應該產生干涉現象。

重點來了——詭異的實驗

注意各位,接下里重點來了!

為了搞清楚究竟是什麼原因導致這種現象的產生,於是科學家們決定用攝像頭來觀測看光子究竟是從哪個縫隙透過。同樣,光子還是一個一個地單個點射發射。

透過攝像機發下,光子卻是是每次透過一個縫隙,這下讓科學家們鬆了一口氣,還好至少光的粒子性是沒有問題的。

但是科學家這口氣還沒松多久他們就看到了不可思議的現象,此時接收屏不知何時變成了兩道明亮的槓,而不是明暗相間的條紋。

這是怎麼回事?所有試驗條件都一樣,唯獨只是加了攝像頭觀測而已怎麼試驗結果卻變了呢?

於是科學家們將攝像頭移開,果然明暗相間的條紋又出現了。

雙縫干涉實驗究竟為科學界揭開了什麼?

這下徹底顛覆了科學家們的認知,試驗結果居然取決於有沒有觀測。如果用因果論來說,試驗是因,觀測試驗結果是果,因決定果這是常理,但是現在確實果能夠影響因,這。。。。??

再舉個例子讓大家好理解一點:

比如大家正在看NBA總決賽,此時最後一秒鐘雙方打平,詹姆斯投出了最後一球,此時的你有兩種選擇,一:關掉電視不敢看,等事後檢視結果。二:親眼目睹著絕殺一刻。此時差別來了,如果你開啟電視詹姆斯絕殺進球,當你關掉電視詹姆斯卻絕殺失敗。

雙縫干涉實驗究竟為科學界揭開了什麼?

是不是不可思議?進與不進居然取決於你看不看電視?

更加不可思議延遲擦除

科學家可不像我們普通人,對於解釋不了的現象就以超自然來解釋,科學家可是要打破沙鍋問到底的。

於是他們想到了我能不能等到光子穿過縫隙之後再以迅雷不及掩耳之勢加上攝像機去觀測,而不是實現就架好讓它有了心理準備。

說幹就幹(當然,大家不要轉牛角尖說光速那麼快,怎麼來得及?科學家自然有科學家的辦法)。大家猜一下實驗結果如何?

無論你加攝像頭觀測的速度有多快只要你去觀測了,它就是兩條兩紋。(相當於前面觀測的結果)

雙縫干涉實驗究竟為科學界揭開了什麼?

恩,這還不是最最最不可思議的。

最不可思議的是,只要你一開始加了攝像頭,不論你是在最後多快的速度撤掉攝像頭,它的結果仍舊是明暗相間的條紋。(相當於前面不觀測的結果)

這裡大家是不是看得有點不明白?這樣吧,我再翻譯一下,其實加攝像頭和撤攝像頭就相當於是去欺騙光(貌似科學家做這個實驗的時候在心底預設光有生命)。

首先,我假裝告訴你(光)我不會看你的,你脫衣服洗澡吧。其實我心中想著趁著你脫了衣服之後立馬拿出手機來拍照。然而,當我拿出手機來的時候你卻狡黠地一笑說不好意思我就知道你會偷拍。

第二天,我拿著手機對你說快脫衣服,我要拍你了(其實我本來就沒打算拍只是嚇唬你,手機壓根沒開機)。此時你毫不猶豫地就開始脫衣服了,然後你又狡黠地說,我就知道你不會拍我。

大家思考

究竟是什麼原因造成的這種現象呢?思考兩個問題:

1、光是如何知道我們是否在觀測它?

2、光是如何能夠預測我們在未來某一刻是否會觀測它?

答案是不是真的如大叔在文章開頭猜想的那般?

雙縫干涉實驗究竟為科學界揭開了什麼?

大叔認為絕對不是,其實任何一個難以解釋的現象其實對於科研界來說是十分難得的,因為每次這樣的現象出現都會讓科技向上邁進一個新的臺階,量子力學大門緩緩拉開。量子力學是一門顛覆認知的學科,而雙縫干涉只不過是冰山一角而已。