量子的感知能力——超越时间与空间 10
本系列文章预计会有30个章节,这套文献将系统的讲述物理学本身,今天是第三季第11篇
昨天我们谈了“量子纠缠”,量子纠缠告诉我们“波函数”有超越空间的感知能力,就像你左鞋和右鞋之间的关系,无论两者距离有多远,一只鞋出现变化,另外一只相继会迅速相应变化。
今天我们谈谈,量子力学中的延迟选择证明了波函数有超越时间的感知能力。
量子力学中确实有很多专业词汇,其实我们并不需要刻意了解它们,我们只需要把他们当作黑箱即可,而我们真正要学习的是量力学中奇妙的现象以及哲人的思想。
还记得吗,我们开篇讲过,20世纪初的时候,人们一直在思考一个问题,那就是,光到底是粒子还是波。为了找到真相,所以决定做一个实验,而这个实验就是经典的托马斯杨的“双缝干涉实验”。
实验的过程如下:
我们先做一个理论假设:
用一个发射光子的机枪对准双缝发射,假如光束是由粒子组成,那么当光穿过双缝时会留下两道杠。因为两个缝隙一边一个,肯定是两道杠。
但如果光是由波组成的,那么屏幕会形成干涉条纹,这个水波穿过缝隙形成的干涉条纹一样(波峰与波峰之间强度叠加,波峰波谷之间正反抵消,最终会在屏幕会形成斑马线一样的干涉条纹)
好,我们开始做实验.
第一次实验把光子枪对准双缝发射,结果是标准的斑马线(干涉条纹),那证明光是波。
第二次实验把光子枪改为点射模式,每次只打一个光子,但是经过一段时间的积累之后,会出现干涉条纹。
等等,这个问题有点严重,明明两个缝隙只有一个缝隙有光子,那么为什么会有干涉条纹呢?
难道是光子与自己干涉了吗?
这就是量子力学中的第一个定律——叠加态原理。
第三次实验,在屏幕前加入两个探测器,在两个缝的左右一边一个。用来查看光子是从哪个缝隙过去的。
结果发现,光子确实只有从左边缝隙或者右边缝隙单一通过。
可奇怪的是,当一段时间积累之后,屏幕上却留下了两道杠。这又表明光是粒子。
为什么用探测器观测了,就由斑马线变成了两道杠了呢?
这就是量子力学中的第二个定律——观察者原理,也就是当你观测就会引起叠加态的坍缩。
而这个问题正好让爱因斯坦提出了“光量子假说”也就是“波粒二象性”即光既是粒子,又是波。
光在传播的时候是波,在测量的时候是粒子,注意波粒二象性只是性质不是本质。
到这里为止,所有的疑问貌似可以解释,不就是观察的时候光就是粒子,不观察的时候就是波。
但几十年后,发生了一件让整个经典物理学动摇的事情,那就是1979年惠勒提出的延迟选择实验。
他们继续重复原来的双缝干涉实验,只是这次只有屏幕没有摄像头,而他们测量的手段就是计算好光子快要到屏幕的时间,然后在快要到屏幕的瞬间加上探测器,结果无论探测器速度有多快,只要加上屏幕上一定是两道杠。
反之,如果在一开始有探测器,在光子快要到屏幕的瞬间撤掉,哪怕在最后一刻撤掉,屏幕上一定是斑马线。
但是探测设备是在光子穿过缝隙之后才对光子造成的影响,但却能影响光子穿过缝隙时的状态。
理论上,穿过前是因,被探测后是果,经典物理学认为,因能决定果。
但是在这个实验中,果却能决定因。
难道在微观世界中,未来能改变过去吗?
惠勒说,咱们设想有一个距离地球十亿光年的星系,它的星光被爱因斯坦引力透镜给分成了两束,各自到达地球。这就好像是一个杨氏双缝实验。
如果我们单独看其中一束星光,那个星光就是作为粒子走过来的;如果我们弄个分束器把两束星光合成在一起,那些光子就是作为波走过来的,对吧?
可是这岂不是说,我们现在要不要上分束器的这个选择,决定了光子十亿年前离开星系时候,要做波还是要做粒子?难道就取决于我们?
好,今天先谈到这里!
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