硬核科普: 深層解讀波粒二象性, 三個著名實驗顛覆你的世界觀!

如果你們之前不能完全理解波粒二象性(現象本身,或者這個概念的內涵和外延)。不用擔心,我認為十有八九不是智商問題:量子物理的內容有太多“反常識”了。很多時候,是我們的腦袋在排斥這些知識;有的時候,我們對這些概念理解有“縫隙”(也就是中途一兩個概念跳過去沒理解透)我的“常識”就又擠進來搗亂,指導我們“想當然”。所以你需要的是耐心、開放你的腦袋、想象你自己啥都不知道。

也許大家不知道,著名的薛定諤的貓思想實驗,薛定諤提出它的初衷並不是幫助大家理解量子力學,而恰恰是由於他無法接受量子理論裡面詭異的“世界觀”,提出這個思想實驗的目的是告訴大家量子力學有多荒謬,所以他決定放棄。從薛定諤到現在,發生了很多事。一些實驗和理論的完善,讓量子理論的說服力越來越強。這個回答中會討論一些。能不能夠說服你,就看你啦!有的時候你覺得你沒理解,其實僅僅是你沒被量子理論說服而已。

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好啦,我們來吧!

這個答案很長,但是它是分階梯。如果你今天感覺不是很“求知”,可以先看第一個階梯,等你準備好迎接挑戰,再往下面看。 我非常清楚,每個階梯的內容,帶來新的疑問遠遠多於它能解答的疑問。所以歡迎大家在評論區留下問題。

如果碰到我自己也不瞭解的知識,我會請教他人或自己讀論文,並把資訊和大家分享。 非常理解量子物理的知友們,謝謝你們有耐心讀這個入門級的答案,如果在閱讀中發現了知識性錯誤,希望能抽出一小點時間指出;如果你心目中有更加容易讓人理解的解釋方法,我也希望你能慷慨地把它留在評論區,和大家一起分享,謝謝啦!

首先,要理解波粒二象性,你需要:

a.理解粒子的行為方式。

舉例:你家裡有一隻小狗,小狗跑來跑去,但是每一個固定的時候只能出現在一個位置;你去打靶子,槍法很爛,有的時候成績好,有的時候成績差,但是每發射一枚子彈,只能在落在靶子上一個特定的位置。

b.理解波的行為方式。

舉例:你喊大家去KTV:“走走走!!!”房間裡面每個人都聽到了;你划船,船盪開的漣漪擴散到湖面很大一片範圍的每一個位置。

c.假如性質交換。

如果子彈表現地像波一樣會怎麼樣呢? 你發射一枚子彈,房間裡面每個人都死了。如果聲音表現得像粒子一樣會怎麼樣呢?你喊了一句話,只有一個人能聽到你。

理解了這三件事,你檢視一下宏觀世界,你會發現,所有的事物,要麼體現波的性質,要麼體現粒子的性質。沒有混淆。

實驗一

到微觀尺度,我們發現“波性質”和“粒子性質”在同一個“物體”上有著驚人的混合。比如電子,有的時候有表現出粒子的性質、有的時候表現出波的性質。

著名的實驗:電子雙縫干涉實驗

: 每發射一個電子,最終電子會落在擋板的一個位置,這表現了電子的粒子性質;

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但是如果你重複試驗夠多次,電子落在擋板的結果展示了干涉——-波的性質:

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擋住其中的一條縫,干涉波紋就消失了

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如果電子每次只是隨機透過其中的一條縫,那麼最終的實驗結果應該是擋板上的兩坨電子,然而事實不是這樣,我們看到了干涉條紋。所以一個電子在雙縫干涉實驗中,並不是通過了其中的一條縫,而是“同時”通過了兩條縫,並和“自己”發生了干涉。但是落在擋板上,被我們觀察到,它就只能有一個位置了,這也就是“粒子”的性質。它落在哪裡呢?答案是“機率決定”,落點的機率分佈符合“波”的性質。也就說,落點位置被“波”所指引。

怎麼會這樣呢?這裡有很重要的一點,需要你放棄一個很重要的“常識”,你才能真正理解,為什麼電子既是“波”,又是“粒子”。當你看你的小狗的時候,它是一條活潑的小狗,下次再看它的時候,它還是一條活潑的小狗,於是,你的大腦自動填補了中間的空白:哦,我不看的時候,它肯定還是一條活潑的小狗。我們對物質世界的認識有一定連續性。在電子的情況下,你看一眼,它是一個粒子,你轉過頭去不看它,再看它,它還是粒子。但是在中間你不看它的這個過程中,它已經不是粒子了,它變成了一個波函式,是你的觀測,讓波函式坍縮成了一個粒子:電子。實際情況是,我們被一鍋濃濃的“湯”所包圍,我們叫它量子場。觀測這個動作,便是從這鍋湯裡面召喚了一個粒子:電子。

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這提出了一種完全違揹我們常識的,對於物質的認識。但是這是目前能提出來的最可信的,符合雙縫干涉實驗結果的解釋。但是,我們該相信這個解釋麼?我們怎麼知道,我們扭過頭去不看的時候,這個粒子就變成了一鍋“湯”?我得有辦法在不“看”的情況下,“評估”它到底是不是“湯”麼?觀測這個動作真的有這麼神奇麼?它能影響物質世界?觀測這個動作又怎麼界定呢?如果你願意接受挑戰。請往下看。

實驗二

下面,就是一個更加的詭異的實驗:量子擦除試驗。如果你理解雙縫干涉實驗還有些吃力的話,回頭再仔細看看,理清頭緒,然後閉上眼睛,按摩一下太陽穴。繼續。

其實這個實驗就是更加聰明的雙縫干涉實驗。在這個實驗中,我們使用的是光子,而非電子。注意,光子有著和電子一樣的波粒二象性。之所以使用光子,是因為光子有個非常好的性質:偏振性。所以你可以想象這是帶著3D眼鏡的雙縫干涉實驗————-

雙縫干涉3D版!

理解這個實驗還有一個重要的預備知識:量子糾纏態。這裡不詳細解釋了,總之你需要知道,處於糾纏態的一對粒子,只要測量了其中的一個,另外一個粒子的狀態也就是確定的,不需要測量我們也知道它的狀態。就好比你只有2只襪子:紅襪子和綠襪子。在觀測之前,你每隻腳上的襪子都處於“薛定諤貓”的混合狀態,但是我觀察了你的一隻腳,這隻腳的襪子狀態就坍縮為單一的顏色:要麼綠,要麼紅;但與此同時,另外一隻腳的襪子顏色也混合狀態也同時坍縮了,雖然我沒有直接觀察它。

試驗中,光子的偏振性有四種:水平、垂直、順時針、逆時針;

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下面就是3D眼鏡啦!四分之一波長片:

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3D眼鏡的功能如下圖所示:垂直的透過紅色片變成了順時針,水平的透過紅色片變成了逆時針;綠色功能相反。

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現在,我們的光子發射槍要開始試驗了。它透過一種叫做下轉換(down-conversion)的方式,一次發射兩枚處於糾纏態的光子:光子A進入我的探測光子偏振性的探測儀,假如說叫做M1,光子B進入雙縫干涉試驗裝備,最終落到擋板上,擋板後面有個偏振性探測儀,假如叫M2。

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嘻嘻,不過是帶上3D眼鏡的雙縫干涉實驗!

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帶上3D眼鏡後,光子透過眼鏡的偏振性改變了,但是並不會改變試驗結果的干涉條紋

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下面就是真正讓你腦子燒糊的部分啦! 假如我們開啟M1:M1測量光子A的偏振性。由於A與B處於糾纏態,他們其實是一個垂直一個水平,當光子B透過一個偏振片之後,偏振性就改變了。這個時候就與糾纏態,A的狀態也會改變,測量A,我們就能知道光子B“到底”是通過了兩個縫中的哪一條。這時候,驚人的結果發生了。只要開啟M1,干涉條紋就消失了,擋板上的光子痕跡變成了兩坨。而關閉M1,干涉條紋就又回來了。

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注意,M1與試驗裝置沒有任何物理聯絡,事實上,你可以把它放到宇宙的另外一端。它僅有的工作就是觀察光子B兄弟的偏振性。所以這個實驗說明了“觀察者效應”。另外一個有趣的事實是,只要M1開啟,條紋就消失了,並不需要一個穿著白大褂的科學家去看結果:到底哪個光子經過哪條縫啊?所以“意識”在這個實驗中不扮演任何角色,你不需要一個有意識的觀察者才能讓量子混合狀態坍縮為一個狀態。在這裡,冰冷的M1充當觀察者的角色。真正的觀察者的定義,還是個開放問題,現在還沒有答案。

實驗三

準備好了麼?如果準備好了,請往下看。下面是最讓人震驚的部分。如果你對上面的部分還有疑惑,請務必理清頭緒再往下看!

延時量子擦除試驗

,它甚至讓我們對“因果關係”產生了懷疑。

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上面的圖是試驗檯,下面的解釋很重要。一定要搞清試驗檯是如何運作的。

1。 一道鐳射透過雙縫板,打到BBO上,形成了兩對糾纏態的光子;紅色的光路表示光子通過了上面一道縫(縫A),藍色的光路代表光子通過了下面一道縫(縫B)。請注意,光子的波長是完全一樣的!不同的顏色只是為了邏輯地區分它們通過了哪一道縫;

2。 D0的角色是上一個實驗中最後觀測擋板的角色,D1~D4是感光元件,圖中的光路,從BBO至D1、D2、D3、D4的距離是完全一樣的。是BBO到D0的兩倍;

3。 如果沒有D1~D4所有的裝置,那麼參考上一個試驗,我們沒辦法知道某一個光子是透過紅色光路到達D0、或是透過藍色光路到達D0,光在D0上,形成了干涉的條紋;

4。 BSa,BSb,BSc是三面半銀透鏡,它有50%的機率使得光子透過,50%的記錄使得光子反射。 紅色光子的糾纏兄弟,有50%的機率擊中D4,25%的機率擊中D1,25%的機率擊中D2; 藍色光子的糾纏兄弟,有50%的機率擊中D3,25%的機率擊中D1,25%的機率擊中D2;

5。 情況A。 假如D4感光,那麼我們就明確地知道,它的紅色糾纏兄弟擊中D0;假如D3感光,那麼我們就明確地知道,它的藍色糾纏兄弟擊中D0。如此,我們就知道了D0上面每一個光子是透過哪條縫的了!這個時候,D0上的干涉條紋退化了,變成了兩坨光印!

6。 情況B。 假如D1或者D2感光,那麼我們還是不可能知道D0上光子的光路情況,觀測資訊相當於被擦除了。干涉條紋就被複原了!

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7。 注意這個實驗很重要的一個暗示:D1D2感光和D3D4感光唯一的區別是,透過光路知識,我們能提取光子資訊。沒有觀測者,沒有觀測意識,僅僅是知識本身,僅僅是我們可能知道的潛能,就導致了混合狀態的坍縮;

8。 最最重要的一點,所有D1~D4的感光資訊的產生,都是發生在D0感光之後的!!彷彿光子預知了未來,決定了自己在透過雙縫之前是否坍縮。

這對量子力學,甚至哲學上的因果關係,都引發了廣泛的討論。有時間,我會繼續更新有關這個令人震驚的實驗可能產生的內涵。

思考,可能的解釋,實驗的含義

感謝大家的有益的思考!大家的問題都提得非常棒!問題我都看了,請允許我慢慢更新。

思考一

先給大家提一個有趣的問題讓大家思考: 量子力學每有一個新的實驗或發現,宗教教徒就如獲至寶的說明這是上帝存在的證據! 如果你是其中之一,我邀請你思考如下問題:實驗2和3中的“糾纏光子副本”(糾纏兄弟)路徑對於全知的神,是已知的還是未知的?以基督教的神耶和華為例,他存在於時間和空間之外,所以他(她)對所有已經發生的事情,和即將發生的事情都瞭解。

那麼這說明了糾纏兄弟的路徑對於他不是秘密。對於全知的上帝來說,光子路徑永遠已知。這就帶來的一個悖論,上帝永遠不可能獲得“波函式”的任何知識,因為在他(她)眼裡,波函式總是坍縮為粒子的,與“全知”矛盾。更重要的是:實驗3說明了僅僅是有人類知道路徑資訊的“潛能”就導致了波函式的坍縮,如果這樣的上帝存在,他(她)的知識應該腐化了宇宙中所有的實驗環境,人類應該也永遠無法獲取波函式的知識。所以從這一點可以看出來,如果量子力學解釋正確:符合聖經描述的上帝是不存在的。哎,量子力學原來不是上帝的盟友吶!

思考二

下面這一點非常重要!!!!!

仔細觀察實驗3的第二張圖,結果圖。R01 表示了落到D1上的糾纏兄弟在D0上的分佈;的R02 表示了落到D2上的糾纏兄弟在D0上的分佈。 請注意這個細節:他們差了半個相位!當他們疊加的時候猜猜發生了什麼?分佈結果變成了波函式坍縮時的結果!!! 為什麼會這樣,你能給出一個優雅的猜測麼?

思考三 實驗三真的違反了因果關係麼?

如果按照經典物理的假設,是的,違反了。但是實驗結果結結實施的就在那裡,怎麼辦呢?我們又需要扔掉另外一個重要的“常識”。這可能是一個比較難以嚥下去的結論:粒子是個偽概念。 粒子這個概念不存在,我們的測量並沒有導致波函式嚴格意義上的坍縮,只是機率的波峰坍縮到一個範圍內,讓我們產生了“粒子”的幻覺。粒子的所有行為,都可以用特定的波函式取值來描述。

資訊超光速傳播,或者回到過去

,這個假象只不過是兩個波函式的“糾纏態”。 直覺好像告訴我們,擦除器是否啟用真地把資訊送到了過去,導致了波函式行為的變化。那麼,在這個實驗中,到底有沒有“有用的”資訊回到過去,而違反了愛因斯坦的理論了呢?這個時候,也許是讀者拿起筆算算的時間了。畢竟科普到一定階段,文字和繪畫就再也不能解釋問題了,我們需要方程式。你準備好迎接挑戰了麼?或者,你可以嘗試使用思考二的結果

千萬不要走火入魔!

有些讀者問到:這可不可以證明世界是唯心的呢,這可不可以證明我們生活在虛擬的世界中呢? 你們的這些“思考”並不新鮮,很多人開過這樣的腦洞。

首先要說的是,不,當然不能證明。這種觀點的支持者們的“證明”其實是個偽概念,只是一種看起來輕鬆的“解釋”而已。然而真正的證明,講究的是證據。而且,如果你硬要說,量子力學也是讓“我們生活在虛擬世界”中這種解釋的可能性變得更加高,因為量子力學允許的真正的“隨機性”的存在。計算機模擬最害怕的就是“真正的隨機”。再說,為什麼想象模擬一定要套用人類的計算機概念呢?太沒有想象力了吧!

最重要的一點,如果你仔細想,“我們生活在虛擬世界中”這種問題本身,就是不可證偽的。由於科學的可證偽性,它根本就算不上一個“科學問題”,而落入了哲學的領域。

然而在哲學領域中,對於不可證偽的事情,我們有“剃刀原則”Philosophical razor:由於“解釋”的方式是無窮無盡的(everything can be explained away),我們必須允許有這樣的規則,讓我剔除可能性極低的“解釋”,否則所有的哲學討論都會陷入無意義的詭辯。

最著名的哲學剃刀:奧卡姆剃刀 When faced with competing hypotheses, select the one that makes the fewest assumptions。 Do not multiply entities without necessity。 面對相悖的兩種假說,選擇所需要假設最少的那一個;

如無必要,勿增實體

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最暴力的哲學剃刀原則:“牛頓的火焰鐳射劍” what cannot be settled by experiment is not worth debating 不能被實驗驗證的問題,不值得辯論

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我最喜歡的剃刀原則:希欽斯剃刀 What can be asserted without evidence can be dismissed without evidence 無證據基礎的宣稱,可無需證據地駁回。

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量子力學可能是科學中我們存在“認識縫隙”最大最多的門類之一。當我們存在認識縫隙的時候,我們習慣於求助虛無,給我們一個輕鬆的解釋,給我們安慰,緩解我們對無知的恐懼。這是人類的弱點:當我們恐懼地死亡的時候,我們創造了afterlife的幻想,誕生了無數死亡的邪教,給人類帶來深重的災難。

如今,當面對無知的時候,我們應該感到的是好奇和興奮:一個更加廣闊的宇宙等著我們探索!

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