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经过一百多年的发展,量子力学早已走进了我们的日常生活。但至今科学家们都没有弄明白量子力学的本质,尤其是量子世界里的很多诡异现象,比如说量子纠缠,电子双缝干涉实验,还有著名的思想实验“薛定谔的猫”。

在很多人看来,量子力学太玄乎了,于是就有了“遇事不决量子力学”的说法。量子力学到底有多诡异?首先我们从更容易理解的薛定谔的猫说起,然后再讲讲恐怖的电子双缝干涉实验。

薛定谔的猫,是一个思想实验。实验很简单,一只猫被放在密封的箱子里,箱子里还有毒气瓶,开关和放射性元素。

放射性元素一旦衰变,就会触发开关打开,释放毒气,猫就死了。如果放射性元素不衰变,猫就不会死。

由于放射性元素衰变与否完全是量子属性决定的,是非常随机的。更恐怖的是,根据量子力学的不确定性,放射性元素其实处于衰变与不衰变的叠加态。

也就是说,箱子的猫就处于生和死的叠加态,一只“既死又活”的猫诞生了。现实中怎么存在这样的猫?这显然是不可能的。

哥本哈根学派的代表人物波尔是这样解释的,思想实验中的猫是量子猫,它处于生和死的叠加态。当我们打开箱子的一瞬间,猫的生死才会显现出来,也就是说,生或死是完全随机的。

而爱因斯坦薛定谔等人对于波尔的解释完全不能接受,他们认为猫的状态在打开箱子之前就决定了,打开箱子只能看到结果,而不会决定结果。

关于薛定谔的猫的争议一直没有停止过,不过目前来看,波尔确实是对的,爱因斯坦和薛定谔错了。

猫的确处于生和死的叠加态,当然现实中不可能存在这样的猫。还有一点,我们打开核子意味着观测,而任何观测行为都会让叠加态坍缩为确定的单一状态。

下面再来看看电子双缝干涉实验。

在我们的传统认知里,电子是粒子,就像一个玻璃珠那样。现在准备一块挡板,挡板上有两条狭缝,挡板后面有接受电子的屏幕。

当我们朝着挡板不断发射电子时,屏幕上会呈现多条干涉条纹。其实一开始刚发射电子时,并没有出现干涉条纹,但是随着发射的电子越来越多,干涉条纹就非常明显了。

干涉条纹的出现,意味着发生了干涉,而只有波才能发生干涉,难道电子是波?

接下来科学家们对实验进行了改进,不再发射大量电子,而是一个一个地发射,这样就避免了多个电子在穿越狭缝之后相互之间发生干涉的情况出现。

让科学家没有想到的是,实验结果让他们更懵圈了。干涉条纹还是出现了!每次只发射一个电子,怎么可能会发生干涉呢?单个电子到底在和谁发生干涉?

理论上只有一种可能:单个电子同时穿过了两条狭缝,然后自己与自己发生了干涉!

这样的结果让科学家震撼不已,不敢相信这是真的。但更恐怖的还在后面。

面对如此不可思议的结果,科学家决定在挡板旁边安装探测器,看看单个电子是怎么同时穿过两条狭缝的。

不看不要紧,一看让科学家们吓破了胆:电子好像知道有人在观测它,老老实实地穿过某条狭缝,屏幕上的干涉条纹消失了。

也就是说,不观测电子时,电子表现为波的特性,一旦实施了观测,电子就表现为粒子特性。

对于这种诡异的行为,有很多种解释,有一种解释最不靠谱:平行宇宙。该解释认为,在观测的一瞬间,宇宙发生了分裂,分裂出了另一个平行宇宙,如果在现实宇宙电子从一条缝里飞过,那么平行宇宙里的电子就从另一条缝里飞过,我们的观测行为导致了宇宙的分裂。

波尔给出的解释是这样的:电子一直处于叠加态,也是波的状态,但是当我们观测电子时,电子就会坍缩为粒子状态。

电子的这种特性,也是不确定性的直接体现,说明电子可以随机出现在任何地方,甚至同时出现在两个不同的地方。

从目前的研究结果来看,波尔的观点是对的,微观粒子确实都具有波粒二象性,它也是量子力学的核心所在。电子也具有波粒二象性,同时具有粒子和波的特性。

所以说,电子双缝干涉实验并不恐怖,但如果你不了解量子力学和叠加态,自然会感到这个实验很不可思议,很恐怖。

宇宙万物都是由最基本的微观粒子组成的,而量子力学统治着微观世界,所以说,量子力学很可能隐藏着宇宙最底层的逻辑和奥秘,一旦我们揭开了量子力学的真面目,很可能就能揭晓这个世界的本质!

原文链接:https://www.toutiao.com/article/7197625368050893347

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