量子力學(xué)的疑問

結(jié)果先于意識，還是意識先于結(jié)果?

以人類常規(guī)的思考邏輯來看，我們一定會(huì)不假思索地回答道是意識存在影響了結(jié)果本身。

可事實(shí)真的是這樣嗎?

如果現(xiàn)在要說所有的結(jié)果都是注定選擇好的，無論我們的意識如何，選擇怎樣，最終的結(jié)果都已經(jīng)定好了，人們會(huì)怎么想呢?

現(xiàn)代物理學(xué)中很少有科學(xué)實(shí)驗(yàn)像雙縫實(shí)驗(yàn)這樣離譜，它向物理界傳達(dá)的一個(gè)最直接的信息便是:

光和物質(zhì)既可以作為波，也可以作為離散的粒子，這取決于它們是否被觀察到。

盡管如此，雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果仍是量子力學(xué)的一大謎團(tuán)。

為了方便理解雙縫實(shí)驗(yàn)證明了什么，我們得從量子力學(xué)中去尋找答案。

1925年，維爾納·海森堡給馬克斯·博恩提交了一份論文回顧，這份論文展示了如何測量亞原子粒子的屬性，例如它們的位置、動(dòng)量和能量。

博恩表示這可以通過數(shù)學(xué)矩陣來表達(dá)，單個(gè)粒子有明確的凸形和描述，這為后來的量子力學(xué)矩陣描述奠定了基礎(chǔ)。

同時(shí)期內(nèi)，薛定諤發(fā)表了他對量子力學(xué)的波動(dòng)理論，在他的理論中，粒子的定義可以是波形的方程。

也就是說，粒子其實(shí)是波。

科學(xué)家對量子力學(xué)的進(jìn)一步研究產(chǎn)生了“波粒二象性”的概念，這也是量子力學(xué)的定義特征之一。

根據(jù)此概念，亞原子實(shí)體可以被描述為波和粒子，但這取決于觀察者如何測量它們。

量子力學(xué)在普朗克、愛因斯坦、玻爾、德布羅意、薛定諤等人的工作下，當(dāng)前的科學(xué)理論都認(rèn)為所有粒子都表現(xiàn)出了波動(dòng)性，反之亦然。

另外波動(dòng)性的表現(xiàn)不僅在基本粒子方面得到了驗(yàn)證，即便是原子甚至分子更大維度的復(fù)合粒子上也得到了驗(yàn)證。

然而在宏觀粒子中，由于波長太短，通常無法通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)來檢測波的特性。

觀察者決定量子實(shí)體如何顯現(xiàn)，如果我們試圖測量一個(gè)粒子的位置，那么測量該粒子的位置時(shí)，它便不再是波。

但如果去試圖定義它的動(dòng)量，人們又會(huì)發(fā)現(xiàn)它的行為和波一樣。

除了它存在于該波中任何給定的概率外，科學(xué)家無法確定它的位置。

本質(zhì)來看，將其作為粒子或波來測量，決定了它會(huì)以什么形式出現(xiàn)，而雙縫實(shí)驗(yàn)正是證明這種波粒二象性最簡單的例子。

是波還是粒子?

值得一提的是，雙縫實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于科學(xué)家們在20世紀(jì)對量子力學(xué)的描述。

自英國科學(xué)家托馬斯·楊在1801年首次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來，這個(gè)問題已經(jīng)困科學(xué)家200多年。

楊的實(shí)驗(yàn)讓他發(fā)現(xiàn)，光會(huì)像波一樣出現(xiàn)。

如果我們用兩個(gè)平行的狹縫在墻上照射一束光時(shí)，假設(shè)光束只有一個(gè)波長。

當(dāng)光線穿過狹縫時(shí)，每個(gè)狹縫都會(huì)出現(xiàn)新的光源并在分隔后的另一側(cè)出現(xiàn)。

來自每個(gè)狹縫的光會(huì)出現(xiàn)衍射，并于來自另一個(gè)狹縫的光進(jìn)行重疊且相互干擾。

任何波都可以產(chǎn)生干涉圖案，無論是聲波、光波還是穿過水體的波。

當(dāng)波峰在波谷發(fā)生撞擊時(shí)，它們彼此會(huì)抵消，這被稱作相消干涉，并會(huì)顯示出暗帶。

當(dāng)波峰撞擊波峰時(shí)，它們則會(huì)相互放大。

這被稱作相長干涉，并會(huì)顯示出亮帶。

亮帶與暗帶的組合便被稱為“干涉圖案”，這可以在狹縫對面的墻壁或是屏幕中看到。

對于光子或電子這樣的量子實(shí)體，它們雖然也是單個(gè)粒子，但如果將它們通過雙縫射出一個(gè)光子時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢?

光子在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的條紋干涉圖案表明，單個(gè)光子的行為就像通過了兩個(gè)縫隙一樣，這使它的表現(xiàn)是一個(gè)波。

如果在狹縫前設(shè)置一個(gè)檢測器，它可以觀察光子并在檢測光子通過時(shí)亮起，檢測器會(huì)在檢測時(shí)有50%的時(shí)間點(diǎn)亮。

此時(shí)屏幕上留下的圖案會(huì)發(fā)生變化，它看上去就像兩道光杠。

如果在墻后面設(shè)置探測器，旨在光子穿過狹縫后才進(jìn)行檢測，便會(huì)得到相同的結(jié)果。

這意味著即使光子會(huì)以波的形式通過兩個(gè)縫隙，一旦被檢測到，它就不再是波而是粒子狀態(tài)。

不僅如此，從另一個(gè)縫隙出現(xiàn)的第二波也會(huì)坍縮回去，通過另一個(gè)縫隙檢測到粒子。

相關(guān)的實(shí)踐表明，通過雙縫隙射出的單個(gè)光子越多，探測器在50%的時(shí)間里越接近探測到光子。

這就好比拋硬幣會(huì)隨著拋投次數(shù)越多，正反面的概率會(huì)越接近50%。

這似乎說明，宇宙以某種方式同樣在觀察實(shí)驗(yàn)者，雙縫中的實(shí)體量子態(tài)也受概率定律支配，因此科學(xué)家們無法確定一個(gè)物體的量子態(tài)是什么。

顯然，波和粒子產(chǎn)生了截然不同的模式，它們本應(yīng)該很容易地被區(qū)分。

可一旦進(jìn)入量子力學(xué)領(lǐng)域，事情便會(huì)出現(xiàn)這種詭異的情況。

原子尺度上，如果我們進(jìn)行單縫實(shí)驗(yàn)，并將光子發(fā)射到傳感器屏幕上。

光子會(huì)在屏幕上顯示為一個(gè)點(diǎn)，這時(shí)我們可以認(rèn)為光子是粒子。

可一旦打開兩個(gè)狹縫，就會(huì)出現(xiàn)干涉。

如果單個(gè)地發(fā)射光子，如果它們沒有機(jī)會(huì)互相干擾，那它們會(huì)表現(xiàn)得像粒子還是波呢?

二重奏

這便是雙縫實(shí)驗(yàn)最恐怖的地方，起初光子會(huì)以隨機(jī)散射的方式出現(xiàn)在屏幕上。

但隨著光子越來越多，干涉圖案開始出現(xiàn)，每個(gè)光子本身都會(huì)對整體波狀造成影響。

按理來講，一次發(fā)射一個(gè)光子，它們之間不應(yīng)該出現(xiàn)干涉才對。

縫隙、光子、探測器都是相同的情況下，探測器關(guān)閉后，粒子狀圖案便不會(huì)出現(xiàn)。

此時(shí)，粒子的表現(xiàn)會(huì)再次在屏幕上形成波狀的干涉圖案。

當(dāng)我們不去觀測它的時(shí)候，它是波，當(dāng)我們觀測它的時(shí)候，它是粒子。

光子似乎知道它們處于波態(tài)中會(huì)去向哪里，就像影院中觀眾沒有分配座位就出現(xiàn)了，但每個(gè)人卻又知道自己該坐哪里。

粒子的所有可能路徑都可以相互干擾，即使實(shí)際存在的路徑只有一條，所有現(xiàn)實(shí)同時(shí)存在，直到最終結(jié)果出現(xiàn)。(這類似于疊加態(tài)概念)

雙縫實(shí)驗(yàn)在哥本哈根解釋中，玻爾和海森堡為其提供了一種看法。

但兩人關(guān)于量子力學(xué)的看法并不統(tǒng)一，玻爾提供了一種獨(dú)立于主觀觀察者或測量的解釋崩潰，它依賴于一個(gè)“不可逆”過程，并可能發(fā)生在量子系統(tǒng)中。

海森堡則強(qiáng)調(diào)觀察者和被觀察者之間的“切割”，兩者無法真正觀測到彼此。

另一個(gè)重要問題便是波粒二象性，兩人的看法在實(shí)驗(yàn)本身和數(shù)學(xué)定義種出現(xiàn)了分歧。

哥本哈根解釋否認(rèn)了波函數(shù)提供了普通物質(zhì)體的直接可理解的圖像，或某些此類物質(zhì)的可辯別成分。

從波函數(shù)來看，它是一個(gè)數(shù)學(xué)實(shí)體，它為系統(tǒng)上每個(gè)可能測量的結(jié)果提供概率分布。

而量子態(tài)的知識還有系統(tǒng)隨時(shí)間演化的規(guī)則，含進(jìn)了所有可預(yù)測的系統(tǒng)行為。

也就是說，觀測和測量物體的行為不可逆，除非根據(jù)物體的測量結(jié)果，否則不能將任何真理歸因于物體。

雙縫實(shí)驗(yàn)的觀測和結(jié)果可以同時(shí)存在，觀測本身就會(huì)導(dǎo)致粒子發(fā)生變化，從而影響結(jié)果。

換位到哲學(xué)中，選擇意識是否還具備重要性，結(jié)果是否重要。

如果說意識會(huì)影響結(jié)果，可結(jié)果在一開始就被定下，那選擇是否還有意義?這便是量子力學(xué)在今天給人們帶來的思考。