现代科学发展过程中就存在很多谜团,就比如19世纪末20世纪初物理学界上空漂浮的“两朵乌云”,在驱散这两朵乌云的过程中,直接导致了相对论和量子力学的诞生,具体过程就不详述了,有兴趣的可以详细了解下。
由此相对论和量子力学成为了现代物理学大厦的两大基石,分别统治着宏观世界和微观世界。
但问题并没有因此而结束,那两朵乌云消失了,但留下了更多更大的谜团,比如说量子力学中的诡异现象,直到今天科学家们都没有完全弄明白。
量子世界的诡异现象有很多,其中最著名的当属电子双缝干涉实验,相信很多人都听说过这个实验。
早在一百多年前,科学家们就开始做类似的实验了。一开始科学家们用的不是电子,而是光。把一束光发射到带有两个狭缝的挡板上,结果挡板后面的屏幕会出现干涉条纹。
很明显,这说明了光在通过两条狭缝后发生了干涉现象,表明光具有波的特性,也证明了光具有波粒二象性。
光具有波的特性,人们比较容易接受。不过在人们的固有思维里,电子等基本粒子就是粒子,不应该有波的特性。
但是当科学家们用电子代替光,重新做实验时发现了同样的结果,电子穿过两条狭缝后,同样在屏幕上呈现多条干涉条纹。
这就很奇怪了,就像我们用玻璃球朝着狭缝射击,不可能在挡板上呈现多条干涉条纹,只会出现两条条纹。
而多条干涉条纹意味着,电子穿过两条狭缝之后,发生了干涉现象,从而出现了干涉条纹。而干涉是波才有的特性,难道电子是一种波?
紧接着科学家们改进了实验,不再密集地一次性发射很多电子,而是一个一个地发射电子。科学家们断定,这次一定不会再出现多条干涉条纹了,因为单个电子不可能在穿过狭缝后发生干涉现象。
但结果让科学家们大吃一惊,屏幕上仍旧出现了多条干涉条纹。科学家们疯狂了,他们知道这意味着什么,意味着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!
这怎么可能?科学家们打死也不相信会发生如此诡异的事情!于是他们再次对实验过程进行改进,在挡板附近安装了探测器,想看看单个电子到底是如何同时穿过两条狭缝的。
结果不看不要紧,一看让科学家们彻底傻眼了。电子就好像知道有人在观测它们,怪怪地从某条狭缝中穿过,屏幕上的干涉条纹也随之消失。
而当科学家们把探测器拿走之后,干涉条纹再次出现。电子就好像在和科学家们藏猫猫。
观测,电子就表现为粒子特性,干涉条纹消失。不观测,电子就表现为波的特性,干涉条纹出现。
人们的观测行为竟然会改变电子的性质!这太疯狂了!
不过随后科学家们也意识到,在对电子实施观测的时候,势必会有光发射到电子上,然后我们通过反射回来的光才能看到电子。而在光照射到电子的时候,会改变电子的运动状态。这在我们宏观世界很难体现出来,因为宏观世界的物体质量太大了,光线的影响完全可以忽略。不过微观世界的影响不能忽略。
但是,即便是光照射在电子上会影响电子的运动状态,但仍旧没有解决根本问题,比如说,为什么光线不直接改变电子运动的方向和速度,而是直接改变电子的属性呢?直接让电子从波的特性变成粒子性质呢?
也就是说,如果没观测之前,电子是一种波,光的照射按说只会改变波的波长频率等属性,但并不会把波变成粒子。但如今这一切都发生了。
这就是电子双缝干涉实验最让人迷惑的地方。当然还有之后更多的改良实验,比如说量子擦除实验和延迟实验,更是改变了因果律,这里就不再详述了。
诡异的电子双缝干涉实验其实就表明了这点,只要我们盯着电子看,看到的就会是实实在在的粒子,如果不盯着看,电子就是波,电子的运动和位置就是不确定的。
就好像在宏观世界里,只要我们抬头看月亮,发现月亮就在那里。如果我们不看月亮,月亮就不在那里,月亮的位置就是不确定的。也就是说,除非我们看月亮,否则月亮根本就不存在。
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与电子双缝干涉实验类似的还有思想实验薛定谔的猫,两者都是关于量子力学不确定性和叠加态的最好描述。不过前者现实中是实实在在的实验,后者只是思想实验,也可以理解为一种哲学实验。
量子世界如此诡异,这也是为什么很多科学界大佬都发出这样的感慨:没有任何人真的理解量子力学。如果你认为自己弄懂了量子力学,恰恰说明你连量子力学的皮毛都不了解!
一百多年前,伟大的爱因斯坦提出了颠覆人们传统认知的相对论,让我们惊呼爱因斯坦的聪慧大脑。而与相对论相比,量子力学的颠覆性无疑更大,这种颠覆性甚至连爱因斯坦本人都不能理解,也无法接受。
如果说相对论颠覆的是我们的时空观,那么量子力学颠覆的是我们的世界观,因为量子力学似乎暗示着我们真实存在的现实世界完全是由概率波组成的,我们就好像生活在虚拟世界一样。
到底谁能揭开量子力学的谜团?或许只有等到第二个“爱因斯坦”来解决了!