双缝干涉实验说明的物理公式,双缝干涉实验规律

首页 > 经验 > 作者:YD1662022-11-06 14:18:09

通过前面那些烧脑的实验,玻尔总结了量子世界的三大基本原则:

态叠加原理

在量子世界,一切事物可以同时处于不同的状态(叠加态),各种可能性并存。比如,在双缝干涉实验中,一个光子可以同时处在左缝和右缝。这种人类无法想象的叠加态,才是最普通不过的本质形态;而在我们看来「正常」的非黑即白,才是一种特例。

测不准原理

叠加态是不可能精确测量的。比如,精确测出了粒子的位置,但它的速度却永远测不准!这并不是因为仪器精度不够高,其实,仪器再好都没用。这个不可能是被宇宙规律所禁锢的「不可能」,而非「有可能但目前做不到」。

观察者原理

虽然一切事物都是多种可能性的叠加,但是,我们永远看不到一个既左且右、又黑又白的量子物体。只要进行观测,必然看到一个确定无疑的结果。至于到底看到哪个态则是随机的,其概率高低取决于叠加态中哪个态的成分居多。

这样一来,实验解释起来就轻松多了:

「双缝干涉」实验的官方解释:

没装摄像头:光子在未观测的情况下处于「多种可能性并存」的叠加态,以 50% 的概率同时通过了左缝和右缝,形成干涉条纹; 装上摄像头:光子被观测后只能处于一个态,不能神奇地同时穿双缝了,所以干涉条纹就消失了。 这就是目前量子力学教科书上的正统理论:哥本哈根解释。

终于,一切都有了答案。

有了答案吗?

因为完美解释了双缝干涉等灵异现象,玻尔一(四)夜(面)成(树)名(敌)。 但小伙伴们却纷纷表示:这个理论不仅反直觉反人类,而且 bug 点很多! 比如,没有观测时,光子是混沌中的叠加态;观测的一瞬间,光子就变成了单一的确定态,请问两种态是怎样无缝切换的? 按照玻尔的说法,观测的一瞬间,光子就随机蜕变成多种可能中的一种,还把这个过程取名叫 「塌缩」 。具体怎么个塌法,玻尔自己也说不清。

再比如,既然触发「塌缩」的前提是「观测」,那么谁能够成为合格的观察者呢? 科学家、人类、一切生命体、还是包括人工智能在内的任何智慧形态? 众说纷纭之际,给玻尔带来致命一击的,是一只猫。

一只猫的拷问

10 年前,正是薛老师亲手写下了量子波动方程,与矩阵力学、路径积分一起,被后人并称为量子力学的三大基石。

双缝干涉实验说明的物理公式,双缝干涉实验规律(25)

10 年后的 1935 年,对「哥本哈根解释」的群起而攻之,薛老师打响了第一枪。 当时,几乎所有人觉得「叠加态」是个纯属幻想的玩意儿,却没人能真正驳倒玻尔和他的哥本哈根学派。 因为,「态叠加」「测不准」「观察者」无论这三大原理违和感多么强,都被玻尔视作量子世界不可挑战的公理。所谓公理,就像「两点之间有且只有一条直线」,或者牛顿力学三定律一样,是无法、也无须证明的宇宙基本大法。

在玻尔看来,物理学家的任务是透过现象找规律,而不是去质问上帝:你为什么要把宇宙设计成这样子? 而且,凭什么微观世界的宇宙法则,一定要和宏观世界的生活经验相符呢? 无懈可击的玻尔之盾,也只有金枪不倒的薛定谔之矛能够与之一战。

「薛定谔的猫」 就是薛老师用来挑战玻尔的头脑实验(以下实验纯属想象、推理,没有任何无辜的猫因此而被害)。 把一只猫关在封闭的箱子里。

双缝干涉实验说明的物理公式,双缝干涉实验规律(26)

和猫同处一室的还有个自动化装置,内含一个放射性原子:如果原子核衰变,就会激发α射线->射线触发开关->开关启动锤子->锤子落下->打破毒药瓶,于是猫当场毙命。 在这个邪恶的连环机关中,猫的死活直接取决于原子是否衰变;然而,具体什么时候衰变是无法精确预测的随机事件。

只要不打开盒子看,我们就永远没法确定,猫此时此刻到底是死是活。

刑具准备完毕,现在,薛老师对玻尔的拷问开始:

1. 原子啊、衰变啊、射线啊,这些都属于你们整天研究的「微观世界」,自然得符合量子三大定律,没错吧?

2. 按照玻尔你自己的说法,在没打开盒子观测之前,这个原子处于「衰变」 「没衰变」的叠加态,没错吧?

3. 既然猫的死活取决于原子是否衰变,而原子又处于「衰/不衰」的叠加态,那是不是意味着,猫也处在「死/没死」的叠加态?

原子衰变 = 死猫;原子没衰变 = 活猫;叠加态原子 = 叠加态的猫。

所以,按照哥本哈根解释,箱中的猫是不死不活、又死又活的混沌之猫,直到开箱那一刻才瞬间「塌缩」成一只死猫或者活猫?

双缝干涉实验说明的物理公式,双缝干涉实验规律(27)

薛老师的逻辑,其实就是反证法:以子之矛,攻子之盾。先假装你是完全正确的,然后顺着你的说法推理啊,直到推出一个荒谬透顶的结论——那只能说明你从一开始就错了!

至于为什么要放进一只猫,这又是薛老师的高明之处。 以前大家研究原子、光子,总觉得那是与日常完全不同的另一个世界;无论量子多么诡异,我们总可以安慰自己说:微观世界的规律,不一定适用于宏观物体。 科学家们做完烧脑的实验,还能回归老婆孩子热炕头的正常生活。 现在,薛老师把微观的粒子和宏观的猫绑在一起,要么你承认叠加态什么的都是不切实际的胡思乱想,要么你承认猫是不死不活的叠加态——别纠结,二选一。

连三岁小孩都知道,如果打开箱子看到一只死猫,那说明猫早就死了,而不是开箱的瞬间才死的——只不过它被毒死的时候,你装作没听到惨叫声而已。

你的理论告诉我们,猫在被观测前是不死不活的;那么,如果把你关进一个密室,你不也变成不死不活了吗?或者,在密室中的你看来,全世界的人都是不死不活的僵尸态?还是说,地球和太阳是否存在,都变成不确定的了? 薛老师的猫,本意是想让玻尔下不了台,万万没想到,这只猫却引发了唯心、唯物主义的大辩论。 哲学家们突然发现,终于有机会以专家的身份,来对科学界说三道四了。

「我思故我在」的误会

400 年前,一个法国大叔的思考,奠定了唯心主义哲学的核心思想。 假设世间一切都是幻觉,所谓人生,也许只是我们的大脑在黑客帝国的 AI 里做的一个梦,说不定身体正插满管子泡在培养皿中。

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