现在可以改变过去吗?双缝干涉延迟实验到底是怎么回事?

如果要结论,那就是:现在的选择可以改变过去、当下的选择能够决定历史。

这个推理过程,有些烧脑。但这毕竟是几十年前或上百年前的理论。所以,现代人理解起来应该没啥问题。如果还是理解不了,那只能说小编讲得不够清晰。

必须要理解的一个问题是:光是一种波,还是一种粒子?

杨氏双缝实验,证明光就是一种波

先是,麦克斯韦用方程解出了电磁波;再是,大家发现电磁波的速度与光的速度一样;于是,合理推测:光就是一种电磁波。所以,光是一种波。

理论上没问题。但理论需要试验来验证。物理不是数学,总有不讲理的地方。一个牛人跑得跟兔子一样快,那你能说他就是一种兔子吗?所以,证明牛人是不是兔子,还需要试验,起码你得证明他有四条腿、还有短尾巴。

1803年的时候,英国人托马斯杨做了著名的双缝实验。当时的实验工具非常粗糙。光源是一个点燃的蜡烛,蜡烛后面是一块遮挡板,遮挡板后面是一个屏幕。在遮挡板上开了两个缝隙,蜡烛的光只能透过这两个缝隙,才能打到后面的屏幕上。

于是,神奇的一幕发生了。屏幕上形成了明暗相间、循环有序的条纹。这说明什么?这说明光是以波的形式通过两条缝隙的,然后两组光波在屏幕上形成干涉。波峰与波峰相遇则正好叠加、波峰与波谷相遇则正好抵消。

所以,光是一种波,像水波一样。

普朗克到爱因斯坦,证明光是一种粒子

黑体辐射中的黑体,就是它不反射光,只发出自己的光。像太阳、烧红的老铁、黑暗中的人体,都可以近似为黑体。黑体发出的光,全是因为它的热量,也就是一种热辐射。

但是,问题出现了。在给定温度下,黑体发出去的光,它的频率形成了一条谁也无法解释的曲线。

你把光当成一种电磁波,然后用统计力学进行计算,却死活解不出黑体发光的方程来。

于是,普朗克出手,他只看曲线、只用数学,硬是凑出了一个方程。但是,要满足这个方程,需要一个前提条件,那就是:黑体发出去的光,必须是一份一份的。简单说,就是黑体辐射出来的光,不是像波一样,是连续的,而是像子弹一样,射出来的。

所以,黑体辐射的解释就是:黑体辐射出来的光,是一份一份的。

同时,物理学家又发现了一个奇怪的现象:一束光打在金属板上的时候,金属板就会向外发射出电子。解释起来很简单,光是一种电磁波,电磁波是有能量的,电磁波的能量推动电子,电子就被打了出去。但问题是电子怎么跑,与光的强度没关系,只跟光的颜色有关系。用物理量来说,就是跟光的频率有关系。高频率的绿光和蓝光,无论强度多弱,电子都会被打出去;低频率的红光,无论强度多强,电子都不会被打出去。

光是一种电磁波,电磁波的能量只跟光的强度有关系,跟频率没啥关系。所以,应该是强度越高、能量越高,然后电子就被打出去越多。但是,电子能不能被打出去,跟光波的强度却没啥关系,只跟光的频率有关系。所以,电磁波解释不了这个问题。

而接下来,就是爱因斯坦出手了。

爱因斯坦认为非但黑体辐射发出来的光是一份一份的,只要是光,它就是一份一份的。光不是连续的一片波,而是由一个一个的光子组成的。每个光子的能量,是它的频率乘以普朗克常数。所以,频率越高,能量就越高。至于光波的强度,不重要的。重要的是光的频率,频率足够、光子的能量才够,自然可以把电子打出去。从中可以推理出来:光是粒子的,像子弹一样。

光到底是什么:波粒二象性

接下里肯定要问:光到底是波动的还是粒子的。你可以认为:光子形成的光,是波动的,就像水分子聚合成的水一样:而单个光子,是粒子的,就像射出去的子弹一样。

但是,后来把杨氏双缝实验精确到单个电子的程度,它却仍旧表现出波的属性。

中间还有各种实验,也有各种理论推理,一笔带过。一个叫德布罗意的物理学家提出了一个洞见,那就是:电子和光子一样,都具有波动性,而且一切物质都有波动性。你之所以看不到物质的波动,是因为波动太小,观察不到。比如一个质量为3千克的球,以每秒10米的速度运动,根据计算,它的波长是10的负35次方米。

所以,光具有波粒二象性。

1961年,物理学家用单个电子做成了杨氏双缝实验。实验结果:你就是每次只发射一个电子,积累的电子多了,屏幕上还是会出现干涉条纹。

如果电子是粒子的,那么屏幕后面就应该像打靶的靶纸一样,怎么也不可能出现干涉条纹。所以,唯一的解释就是单个电子同时通过了两个缝隙:它既在这里也在那里。

烧脑了吧。但,以上只需要记住一个结论,就是:世界是由原子组成的,原子就有波粒二象性。

接着,更烧脑的问题和实验有出现了。

到底什么时候是波、到底什么时候是粒子

你在杨氏双缝实验的屏幕后面,各放一台探测仪,盯着单个缝隙,看光子到底怎么运动。这时候,会出现什么情况?光子就像子弹一样从一个缝隙中射了出来,屏幕上也没出现干涉条纹,它表现为粒子性,而不是波动性。

如果在实验中没有屏幕,就用两个探测器分别盯着两个缝隙,那光子就或者从这个缝隙中通过、或者从那个缝隙中通过,光子表现为粒子性。

如果在实验中放上屏幕,屏幕挡住了两个探测器的观察视角,那光子就会同时从两个缝隙中通过,然后在屏幕上形成干涉条纹。

你这是怎么回事?

我这么观察的时候,你光子就是波动的,在屏幕上形成了干涉条纹;我那么观察的时候,你光子就是粒子性的,像子弹一样飞了过来。

也就是说,光子到底表现为波动性,还是粒子性,完全取决于我的观察。是波动、还是粒子,光子说:我都可以,看你喜欢。你放块屏幕在后面,那我就给你波动出干涉条纹来;你放个探测器盯着我看,那我就给你做出粒子运动来。

延迟选择的猜想和试验

于是,在上世纪70年代末,物理学家惠勒提出了一个延迟实验。简单说:开始不放屏幕,就是盯着缝隙,相当于盯着光子怎么运动;等你光子完全通过双缝之后,再突然放上屏幕,看你还能不能波动出干涉条纹来。

实验很多,各种复杂的设计和先进的仪器都用上了,因为物理学家一定要往死折腾光子。

太复杂的操作设计不解释了,大体步骤可以做如下概括:

双缝后面不放置屏幕,分别用探测仪盯着两个缝隙:这时候光子肯定会像子弹一样,或从这个缝隙射出、或从那个缝隙射出;

在这个过程中,光子表现为粒子性;

等光子像子弹一样通过双缝之后,这时候它肯定不能调头、也不能重来了,然后再突然把屏幕放上,观察光子到底会在屏幕上留下什么。

这么折腾光子,你让光子情何以堪?我到底该表现为波动性、还是该表现为粒子性?

光子不能调头、不能重来、更不能耍无赖,所以它只能像子弹一样射过来,屏幕上就会呈现子弹扫射的样貌。然而,并没有,干涉条纹在屏幕上出现了。

也就是说,光子是同时通过双缝的、是波动过来的。我们的观测改变了光子的历史轨迹。

用一个通俗点儿的例子,来解释这个问题:

老师点名的时候,我肯定要到课堂听课;老师不点名的时候,我肯定要到球场打球;到底是上课还是打球,取决于老师点名或不点名的信息。

开始,老师说不点名,所以我换上了运动服、去了球场打球。突然,老师又说点名了,而我却已经穿着正装、坐在课堂听课了。

之前的换上正装、到课堂听课,之前的换上运动服、去球场打球,这段“历史”到底会是哪一个,完全取决于现在的老师现在是不是要点名。

现在的选择可以改变过去。

如果这个例子的时间尺度还不够大,那就用惠勒提出的设想:

一个距离地球十亿光年的星系,它的星光被爱因斯坦的引力透镜分成了两束,在十亿年后各自到达了地球。引力透镜就相当于杨氏双缝实验中的双缝。只不过这个缝隙有点儿大。

如果我们单独观察一束光,那么它就是单独过来的,它是以粒子的形式走过来的。

如果在地球支上一个屏幕,那么两束光就合在一起,它是以波动的形式走过来的。

这是不是说:我们的行动,能够决定光子十亿年前出发时候的状态,是波动的还是粒子的?

当下的选择能够决定历史。

但是,还不需要过分担忧。

首先,这只停留在微观粒子层面;其次,选择只能决定光子当初是波动还是粒子;第三,选择并没有改变光的运动方向。可以得到的洞见是:我们可能需要对过去和未来做出新的思考,怀疑其是不是一种错觉。

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