候,投屏出现干涉条纹。观测电子路径的时候投屏出现两条缝隙。科学家们应该都很聪明,不会让探测器影响粒子的运动。有以下三个问题。

问题一:安装探测器,探测器无记忆功能,切断探测器输出的信号线,开始实验,投屏上会出现干涉条纹还是出现两条缝隙?

问题二:安装探测器,探测器无记忆功能,探测器输出屏实时播报电子所通过的缝和对应投屏点位置,但是把探测器输出屏锁在密闭黑箱内。人只能观察投屏,投屏上会出现干涉条纹还是出现两条缝隙?

问题三:安装探测器,探测器无记忆功能,探测器输出屏实时播报电子所通过的缝和对应投屏点位置,但是把探测器输出屏和一只猫锁在密闭黑箱内,让一只猫观察探测器的测量结果。人只能观察投屏,投屏上会出现干涉条纹还是出现两条缝隙?


首先说一下量子力学中关于干涉的一系列实验的发展过程。

1、1961年约恩松为了证明电子具有波动性,进行了电子双缝干涉实验,证明电子束可以发生双缝干涉;

2、1976年梅丽团队进行了单电子干涉试验,他们用的不是双缝而是电子棱镜(通过一个特定电场弯曲电子的路线使电子发生干涉),证明了一个电子也能发生干涉,单个电子只能在屏幕打出一个点,但累计结果会显示出干涉条纹;2012年有团队进行了真正的单电子双缝干涉实验,结果相同;

3、1991史库理等人进行了量子路径擦除试验,证明了当获得光子路径信息时,干涉图像不存在。

4、1984年卡洛尔·阿雷进行量子延迟选择试验,证明量子能够预知未来(误),证明量子效应是超距作用。

以上就是目前关于量子效应研究的主要实验,题主所说的电子双缝干涉路径观测试验目前只是思想试验,并没有实际进行。

而引起题主疑惑的应该是第三个量子路径擦除试验,我就简单讲一下对这个试验的理解。

上图是实验第一阶段的示意图,上面的Argon laser激光发射器,能够发射单个光子,经过光路后摄射入BBO晶体,这个晶体有一种特性,就是它可以吸收一个入射的光子,然后发射出一对纠缠的光子,每个光子的能量是被吸收光子的一半。其中一个光子(下称光子B)被射入感测器Dp,另一个光子(下称光子A)被射向双缝,后面有感测器Ds。通过调整是光子B为垂直偏振,根据量子纠缠效应光子A为水平偏振。由于感测器只能接收很小面积的光子,所以实际实验中需要感测器Ds延箭头方向移动,在每个点上停留一段时间,从而扫描出干涉图样。

在第一阶段,基本就是一般光的双缝干涉实验,Ds可以探测到干涉图样。Dp支路是否存在完全没有用处。

下面进入第二阶段。

上图是实验第二阶段的示意图,在双缝前增加两个四分之一玻片QWP1和QWP2,四分之一玻片可以改变光子的偏振模式,此时的光子A(水平偏振)会变成一个缝顺时针圆偏振,另一个缝逆时针圆偏振。(标记路径信息)

这时Ds无法扫描到干涉图样。通过感测器Dp进行联合测量(就是当感测器Dp接收到光子时才认为Ds接收到的光子有效)也没有干涉图样。

来第三阶段。

上图是实验第三阶段的示意图,在感测器Dp前加一个起偏器,使光子B变为45度角偏振。这时与之纠缠的光子A也变成45度角偏振。经过QWP1和QWP2时光子A就变成了每个缝50%顺时针圆偏振50%逆时针圆偏振。(擦除路径信息)

这时,Ds其实依然无法扫描到干涉图样的,但通过与感测器Dp联合测量却可以得到干涉图样。

详细说明一下联合测量,可以理解为,每当Ds收到一个光子,就看看Dp有没有同步收到光子,并在数据上进行标记。

在第三阶段通过数据分析我们发现,Ds所有数据的统计结果与第二阶段是一致的;但如果我们把Dp同步收到光子的数据单独拿出来统计,这部分数据则会呈现出干涉图样。

看了这个实际实验过程是不是觉得没那么神奇和不可理解了。整个实验过程与意识无关,所谓的观测也不是拿高速摄像机去拍,所谓的干涉图样也不是直接出现在屏幕上的。

所以你的三个问题。

问题一:安装探测器,探测器无记忆功能,切断探测器输出的信号线,开始实验,投屏上会出现干涉条纹还是出现两条缝隙?

答:你说的探测器应该是指Dp,把Dp拔掉,我们就无法得到联合测量的结果,无法提取出干涉图样。

问题二:安装探测器,探测器无记忆功能,探测器输出屏实时播报电子所通过的缝和对应投屏点位置,但是把探测器输出屏锁在密闭黑箱内。人只能观察投屏,投屏上会出现干涉条纹还是出现两条缝隙?

答:同问题一。

问题三:安装探测器,探测器无记忆功能,探测器输出屏实时播报电子所通过的缝和对应投屏点位置,但是把探测器输出屏和一只猫锁在密闭黑箱内,让一只猫观察探测器的测量结果。人只能观察投屏,投屏上会出现干涉条纹还是出现两条缝隙。

答:同问题一。

最后,我不是专业搞物理的,只是一个科学爱好者,以上是我通过学习得到的个人理解,有什么疑问我们可以继续讨论。


我认为这很好理解,而且和意识什么的无关。

电子来到这里,两条路都一样,那么它同时走两条路,如果你放了一个探测器或者一颗灰尘什么的东西在其中一条路上,它会发现两条路有差别,它犹豫不决最后乱选一条路走,就没干涉条纹了。

因为你要判断它走哪条路必然要标记两条路使之有差别,那么必然失去叠加态。

同理,一个电子在飞行,它途径上最开始是对称的,到后来肯定不对称,它发现左边密度比右边大,它就会做出选择,自发退相干。

那只倒霉的猫不会又死又活,它的存在影响了量子态发生退相干了。这个思考的方向是:宏观影响微观;另一个方向是:微观影响宏观,即量子态不会丢失,电子一直是叠加态,但是我们分明看到没有干涉条纹了呀,那么叠加的就是整个宇宙,我们只是其中一个宇宙而已,这就是平行宇宙解释。那个猫是又死又活,它的不同状态存在不同宇宙而已。


116 年前的 12 月 12 日,马可尼收到横跨大西洋、人类史上第一个无线电信号的那一天。


似乎什么都没有改变。

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包括马可尼自己,当时没有人能够想像,在接下来的一百多年,通信会把世界变成什么样子。

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2016 年 8 月 16 日,世界第一颗量子通信卫星「墨子号」从酒泉发射的那一天。


就像当年的马可尼一样,我们也无从想像,未来的量子计算与量子通信,终将带来一个怎样的魔法时代。


绝对安全的信息传输?


智商秒杀全人类的人工智慧?


瞬移、穿越不再是科幻?

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潘建伟教授的量子通信卫星上天了。


5 年后,人人都会用无法破解的加密网路刷信用卡。你还觉得量子理论是象牙塔里的黑科技,和你的生活毫无关系?


让我们先从神秘的量子理论开始,解密量子通信。


这注定是一场不可思议的旅程。

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如果你完全不懂量子力学,请放心大胆地往下看,我保证不用任何公式就能让你秒懂,连 1+1=2 的幼儿园数学基础都不需要。


如果你自以为懂量子力学,请放心大胆地往下看,我保证你看完会仰天长叹:什么是量子力学啊?

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正如量子力学大师费曼所说:没有人懂量子力学。如果你觉得懂了,那肯定不是真懂。


在烧脑、反直觉和毁人三观方面,没有任何学科能够和量子力学相比。如果把理工男最爱的大学比作霍格沃兹魔法学校,那么唯一和量子力学专业相提并论的,只能是黑魔法。


然而,量子理论之所以如此神秘,并不是因为物理学家的故弄玄虚。其实,在量子理论刚诞生的摇篮时期,它只是一门人畜无害的学科,专门研究电子、光子之类小玩意儿。


「量子」 这个现在看来很厉害的名字,本意不过是指微观世界中「一份一份」的 不连续能量


这一切,都源于一次物理学的灵异事件。

百年战争

20 世纪初,物理学家开始重点纠结一个纠结了上百年的问题:光,到底是波还是粒子?

  • 粒派

所谓粒子,可以想像成一颗光滑的小球球。

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每当你打开手电筒,无数光子就像出膛的炮弹一样,笔直地射向远方。


很多著名科学家(牛顿、爱因斯坦、普朗克)做了很多权威的实验,确凿无疑地证明了光是一种粒子。

  • 波派

所谓波,就像往河里扔块石头,产生的水波纹一样。

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如果把光看作是一种波,可以完美解释干涉、衍射、偏振等经典光学现象。


很多著名科学家(惠更斯、杨、麦克斯韦、赫兹)做了很多权威的实验,确凿无疑地证明了光是一种波,电磁波。


可问题是,波和粒子毕竟是两种截然不同的东西啊!

  • 粒子可分成一个一个的最小单位,单个粒子不可再分;波是连续的能量分布,无所谓「一个波」或者「两个波」;
  • 粒子是直线前进的,波却能同时向四面八方发射;
  • 粒子可以静止在一个固定的位置上,波必须动态地在整个空间传播。

波与粒子之间,存在著不可调和的矛盾。


于是自古以来,塞伯坦星上的科学家就分成两派: 波派和粒派 ,两派之间势均力敌的百年撕逼战争从未分出胜负。

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很多人问我:科学家为什么要为这种事情势不两立,大家搁置争议、共同研究不就得了。


为了一个字:


信仰!

千面之神

且问你:《权力的游戏》中,信奉七神的维斯特洛人民,为何要与信奉旧神的关外野人拼个你死我活?

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自古以来,人们为了信仰争端大开杀戒,早已不足为奇。


唯一的和谐社会可能是古希腊:他们的神多达百八十号,有管天上、有管地下,各路神仙各司其职,倒也井水不犯河水。


人称:希腊众神。

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要命的是,科学家们信仰的神只有一个,而且是放之宇宙而皆准的全能大神。这位神祇的名字,叫作 真理


大到宇宙的诞生,小到原子的运转,科学家们相信,这个世界的万事万物都是基于同一个规律,可以用同一个理论,甚至同一套方程解释一切。比如,让苹果掉下来把牛顿砸晕的是万有引力,让月亮悬在空中掉不下来的也是万有引力。用同一个方程,既能算出地球的质量,也能让马斯克的猎鹰九号火箭上天,这就是科学的威力。


想要一个宇宙、两种规律?


对不起兄弟,别在科学界混了,您可以去跳个槽,比如竞选总统。


当然,科学家们没有谁敢自称是真理的代言人,就连牛顿谦虚起来都是这样的:「我只是一个在海滩上捡贝壳的孩子,而真理的大海,我还没有发现啊!」


就算是捡贝壳,捡的多了,说不定拼到一起就能窥见真理之神的全貌呢!


整个科学史,就像一个集卡拼图的过程。做实验的科学家们每发现一个科学现象,搞理论的科学家们就绞尽脑汁推测它背后的运行规律。不同领域的大牛把各方面的知识、理论慢慢拼到一起,真理的图像就渐渐清晰。

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在 20 世纪初,光学的知识储备和数学理论越来越完善。大家逐渐觉得,这一块的真相总算有希望拼出来了——结果却发现,波派和粒派的理论早已背道而驰,还各自越走越远。这就好比你集了一辈子卡片,自以为拼得差不多了。这时突然发现,你拼出的图案居然和别人是不一样的,而且差的不是一点点!


是不是有种把对方连人带图都砸烂的冲动?


当时波派和粒派都坚信,自己手上的拼图,才是唯一正确的版本。


双方僵持不下直到 1924 年,终于有人大彻大悟: 波 or 粒,为什么光不能两者都是呢?


也许在某些时候,粒子看起来就像是波;在另一些时候,波看起来就像是粒子。波和粒如同阴阳一般相生相克,就像一枚硬币的正反两面(波粒二象性),只不过我们一直以来都在盲人摸象、各执一词。

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真理确实只有一个,但是真理的表现形式,会不会存在著多个版本?


难道真理就是那个千面之神,用千变万化的面目欺骗了我们如此之久?

灵异的实验

究竟是波,是粒,还是波粒二象,大家决定,用一个简单的实验来做个了断:

  • 双缝干涉实验

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双缝,顾名思义,就是在一块隔板上开两条缝。


用一个发射光子的机枪对著双缝扫射,从缝中漏过去的光子,打在缝后面的屏上,就会留下一个光斑。(等效于 1961 年电子双缝干涉实验)


在实验之前,科学家的推测如下:


第一种可能


如果光子是纯粒子,那么屏幕留下两道杠。


光子像机枪发射的子弹一样笔直地从缝中穿过,那么屏幕上留下的一定是 2 道杠,因为其他角度的光子都被板挡住了。

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第二种可能


如果光子是纯波,那么屏幕上会留下斑马线般的一道道条纹。


光子穿过缝时,会形成 2 个波源。两道波各自震荡交汇(干涉),波峰与波峰之间强度叠加,波峰与波谷之间正反抵消,最终屏幕上会出现一道道复杂唯美的斑马线(干涉条纹)。

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第三种可能


如果光子是波粒二象,那么屏幕图案应该是以上两种图形的杂交混合体。


总之,


两道杠 = 粒派胜;


斑马线 = 波派胜;


四不像 = 平局。


是波是粒还是二合一,看屏幕结果一目了然,无论实验结果如何,都在我们的预料之中。


第一次实验 :把光子发射机对准双缝发射。


结果 :标准的斑马线。

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根据之前的分析,这证明光子是纯波。OK,实验结束,大家回家洗洗睡吧。


粒派不服:我明明知道光子是一个一个的粒子!


这样,我们再做一次实验,把光子一个一个地发射出去,看会怎么样,一定会变成两道杠的!


第二次实验 :把光子机枪切换到点射模式,保证每次只发射一个光子。


结果 :斑马线,竟然还是斑马线,怎么可能?我们明明是一、个、一、个把光子发射出去的啊!


最令人震惊的是,一开始光子数量较少时,屏幕上的光点看上去一片杂乱无章,随著积少成多,渐渐显出了斑马线条纹!

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光子要真的是波,那粒派也不得不服。


问题是:根据波动理论,斑马线来源于双缝产生的两个波源之间的干涉叠加;而单个光子要么穿过左缝、要么穿过右缝,穿过一条缝的光子到底是在和谁发生干涉?


难道……光子在穿过双缝时分裂成了两个?一个光子分裂成左半光子和右半光子,自己的左手和右手发生了关系?事情好像越来越复杂了。干脆一不做二不休,我们倒要看看,光子究竟是怎样穿过缝的。


第三次实验 :在屏幕前加装两个摄像头,一边一个左右排开。哪边的摄像头看到光子,就说明光子穿过了哪条缝。同样,还是点射模式发射光子。


结果:每次不是左边的摄像头看到一个光子,就是右边看到一个。一个就是一个,从来没有发现哪个光子分裂成半个的情况。


大家都松了一口气。 光子确实是一个个粒子,然而在穿过双缝时,不知怎么就会变形成两道波同时穿过,形成干涉条纹。


虽然诡异了些,不过据说这就是 波粒二象性 了,具体细节以后再研究吧,这个实验做得人都要精分了。


然而,就在这时,真正诡异的事情发生了……


人们这才发现,屏幕上的图案,不知什么时候,悄悄变成了两道杠!


没用摄像头看,结果总是斑马线,光子是波;


用摄像头看了,结果就成了两道杠,光子变成了粒子。


实验结果取决于看没看摄像头?


这不科学啊,做物理实验竟然见鬼了啊!

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一个貌似简单的小实验做到这份上,波和粒子什么的已经不重要了,重要的是现在全世界的科学家都懵逼了。


这是有史以来第一次,人类在科学实验中正式遭遇灵异事件。

观察者魔咒

你还没看出灵异在哪里?


好吧,请先看懂下面这个例子:


电视里正在直播足球比赛,一个球员起脚射门——

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「咔」暂停,你预测一下这个球会不会进?


在球迷看来: 球进还是不进,和射手是不是 C 罗、梅西有关,和对方门将的状态有关,和裁判收没收钱说不定还有关。


在科学家看来: 有关的东西更多,比如球的受力、速度和方向,距离球门的距离,甚至草皮的摩擦力、球迷吼声的分贝数等等。


不过,只要把这些因素事无巨细地考虑到方程里计算,完全可以精确预测三秒后球的状态。但无论是谁,大家都公认的是,球进与不进,至少和一件事情是绝对无关的:


你家的电视。


无论你用什么品牌的电视,无论电视的屏幕大小、清晰度高低、质量好坏,无论你看球时是在喝啤酒还是啃炸鸡,当然更无论你看不看电视直播——该进的球还是会进,该不进就是不进,哪怕你气得把电视机砸了都没用。


你是不是觉得,上面说的全都是废话?那么,仔细听好:


双缝干涉的第三次实验证明了,在其他条件完全相同的情况下,球进还是不进,直接取决于在射门的一瞬间,你看还是不看电视!


看还是不看,这是一个问题!


光子从发射器射向双缝,就好比足球射向球门;用摄像头观测光子是否进缝、怎么个进法,就好比用电视机看进球。


第三次实验与第二次的唯一区别,就是实验 3 开了摄像头观察光子(看电视),实验 2 没放摄像头(不看电视)——两次实验的结局竟截然不同。


这,就是观察者的魔咒。


难道说,不看光子它就是波,看一眼,它就瞬间变成粒子?


难道说,「光子是什么」这一客观事实,是由我们的观察(放不放摄像头)决定的?


难道说,对事物的观察方式,能够改变事物本身?

三观崩塌

在所有人懵逼的时候,还是有极少数聪明人,勇敢地提出了新的理论: 光子,其实是一种智能极高的外星 AI 机器人。


之所以观察会导致实验结果不同,是因为光子在你做实验之前就悄悄侦查过了,如果发现有摄像头,它就变成粒子形态;如果发现是屏幕,就变成波的形态。


这个理论让我想起了传说中的:

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难道机器人阿童木真的存在?(「阿童木」是日语「アトム」的发音直译,词语源自英语「Atom」,意即「原子」)

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这种扯淡理论居然没被口水喷死,还要做实验去验证它,可见科学家们已经集体懵逼到了什么地步。


第四次实验:


事先,只有屏幕没有摄像头;


我们算好光子穿过缝的时机,等它穿过之后,再以迅雷不及掩耳之势加上摄像头。(等效于 1978 年惠勒延迟选择实验)


结果是啥?


无论加摄像头的速度有多快,只要最终加上了摄像头,屏幕上一定是两道杠;反过来,如果一开始有摄像头,哪怕在最后一刻秒秒钟撤掉,屏幕上一定是斑马线。


回到看球赛的那个例子,就好比:我先闭上眼睛不看电视,等球员完成射门、球飞出去 3 秒钟后,我突然睁开眼睛,球一定不进,百试百灵。

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在你冲出门去买足彩之前,我先悄悄提醒你:这种魔咒般的黑科技,目前只能对微观世界的基本粒子起作用。要用意念控制足球这样的大家伙,量子还做不到啊!


请注意,加不加摄像头,是在光子已经穿过双缝之后再决定的。不管光子在穿缝的时候变成什么形态,过了缝应该就定型了。


既然光子的状态在加摄像头之前就定型了,为什么实验结果还是能在最后一刻发生变化?


难道说,在之后做出的人为选择(未来),能够改变之前已经发生的事实(历史)?


而且,加摄像头的速度,可以做到非常快(40 纳秒)。就算光子真的是个狡猾的微型变形金刚,当它变成波的形态穿过双缝,在最后一刻却发现面前是一个摄像头时,它也来不及再次变身了吧?


「主观决定客观」「未来改变历史」「外星人其实是无处不在的光子」……


好端端一个实验弄得谣言四起,物理学家们纷纷感到几百年来苦心经营的科学体系正在崩塌。


与之一起崩塌的,还有全人类的三观。


量子魔法时代的大幕,正在徐徐拉开。


为了一只猫的死活,100 年前的天才哲学家,学历最高的足球运动员,撩妹无数的量子力学教授……他们都在纠结个啥?

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另一些人,却恰恰相反——他们做任何事,都是为了纠结,下面我要说的,就是另一些人的故事。

学历最高运动员

1908 年夏天。


丹麦,哥本哈根。


一名足球运动员正在思考自己的前程。


23 岁,是时候做个决定了。比自己小两岁的弟弟,已经成为国奥队的中场核心。在刚刚结束的伦敦奥运会上,哈那德·玻尔率丹麦队 17:1 血洗法国队,斩获银牌创造「丹麦童话」,一夜之间成为家喻户晓的球星。


而我,作为丹麦最强俱乐部——哥本哈根 AB 队的主力门将,居然从未入选国家队,这简直是一种耻辱。

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国家队大名单里怎能没有我?


教练说我什么都好,唯一的弱点是喜欢思考人生。


上次和德国米特韦达队踢友谊赛,对手竟敢趁我在门框上写数学公式的时候,用一脚远射偷袭,打断我的思路!最后一刻不还是被我的闪电扑救解围,要是后卫早点上去堵枪眼,那场球踢完就可以交作业了。


是成为世界最伟大的门将,还是成为世界最伟大的物理学家,这是一个问题,我需要纠结一下。

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第一章里我们讲到,100 多年前,为了搞清光子究竟是波还是粒子,科学家们被一个貌似简单的「双缝干涉」实验弄到集体「精分」。


这个实验明白无误地说明,光子既可以是波,也可以是粒子。


至于它到底是什么,取决于你的 观测姿势


装摄像头观测光子的位置,它就变成粒子;不装摄像头,它就是波!


我们曾经天真地以为,无论用什么样的姿势看电视直播,都不可能影响球赛结果,可是在微观世界中,这个天经地义的常识好像并不成立,这就是那么多高智商理工男懵逼的原因。


但是在玻尔看来,将宏观世界的经验常识套用到微观世界的科学研究上,纯属自寻烦恼。


通过常识,我们可以理解一个光滑小球的物理属性;但是凭什么断定,组成这个小球的万亿亿亿个原子,也一定有著和小球完全相同的属性?


凭什么在微观世界中,原子、电子、光子,一定要遵循和宏观世界同样的物理法则?


一般人纠结的问题无非是:量子世界的物理法则为什么这么奇怪啊……


只有天才,能够直截了当问出关键问题:这些法则是什么?


严格来说,量子理论是一群人,而不是一个人创立的。但是如果一定要选出一个「量子力学代言人」的话,我觉得非玻尔莫属,因为当别人纠结的时候,他第一个想通了。

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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。这种人类无法想像的叠加态,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

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猫、爱因斯坦和密码学:我也能看懂的量子通信

神们自己

连扎克伯格未满月的女儿,都让他爹读《宝宝的量子物理学》,你还在等什么

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这个老问题就懒得打那么多字详细回答了……推荐一本书,《上帝掷骰子吗?:量子物理史话》曹天元著,里面对这个问题有非常详细的讨论。


说一点我自己的理解吧。

首先,这个实验上的观测,更准确的说法应该是测量。只要通过相关的仪器设备,获取了电子的具体位置,就视为测量成功,这与观测者主观上是否进行观测无关。

这个可以这么理解。要想完成观测,观测者和被观测者必然要进行某种形式的交互,被观测者必然要输出信息。我偷窥对面的女生宿舍,是对面房间里的灯光,照射到对方的身上,光线(电磁波)反射到了我这里,被我的眼睛接收。我通过这种形式与对面的女生完成了交互,她输出了她的信息,尽管她本人可能并不知情。

又如,我去住酒店。正常情况下,灯光照到我身上,然后就反射到周围的墙壁上了。然后有人安装了摄像头,这样,我就有部分光线进入到摄像头里了,摄像头接收到的我的光线,获取到了我的信息,我把我的信息输出给了摄像头,无论摄像头是否插著线(信息接受后能否有效传递),无论摄像头的屏幕前有没有人看(信息能否有效存储并处理)。

然后,回到问题。

题主要观察电子的路径,本质上就是采用各种手段,要让电子报出自己的具体位置。只要电子报出了自己的具体位置(输出信息),那么波函数就坍缩了,这与你有没有接收到它报出的信息无关。


很简单啊,未观察前是一直在运动状态,人只要一观察结果就已经是历史了,所以这个状态就已经发生了,因为你凡是看到的是已经发生过的事情,有什么可奇怪的呢,不是波动粒子解释的。波动是一种运动态,粒子是一种结果态,


吴金闪-系统科学导引


有一个经典的物理实验,叫做光的双缝干涉实验。实验方法很简单,就是让一束光通过硬纸板上的两条平行的缝隙,我们就可以在纸板后面的幕布上看到明暗相间的条纹。这个实验证明了光是一种波,因为光波在通过两条平行的缝隙后发生了自我干涉,波峰与波峰相遇的地方亮度就会增强,波峰与波谷相遇,亮度就会减弱,于是就出现了明暗相间的条纹。


这个实验在 19 世纪初就被科学家们做过了,100 多年来大家也没觉得这个实验有啥了不起的。可是进入到 20 世纪后,这个实验开始被物理学家们高度重视起来。为啥?因为爱因斯坦提出的光的波粒二象性被各种实验所证实了,这样一来,物理学家们不得不面临一个棘手的问题,那就是:既然光在最微观的结构上是一个个的粒子,那当单个光子通过左缝时,它是怎么知道右缝的存在呢?


刚开始,物理学家还能掩耳盗铃,因为没有人能在实验室中让光变成一个个的光子发射出去,所以物理学家们就想,或许让光子一个个通过双缝的话,就不会出现干涉条纹了。但是好景不长,没过多久,物理学家们发现电子同样具备波粒二象性,而电子要比光子容易控制多了,他们制造出了可以一个一个发射电子的电子枪。于是,电子一个一个地被射向双缝,这个实验一做就是一年多,当荧光屏上干涉条纹慢慢呈现出来时,物理学家们知道,一个潘多拉盒子被打开了,从此物理学的江湖大乱。


一个电子它怎么就能够通过左缝的时候知道还有另外一条右缝的存在,从而改变自己的运动轨迹呢?这个问题还可以用更简洁的方式问:一个电子到底是通过了左缝还是右缝?


以玻尔为首的哥本哈根学派是这么解释的:一个电子同时通过了左缝和右缝!这并不是说电子会分身术,一分为二,一半通过左缝,一半通过右缝。哥本哈根学派创造出一个前所未有的概念,叫做叠加态。一个或一团基本粒子可以处于某种叠加态中,多种不同的状态相互叠加在一起。一个电子可以同时处在不同的位置、拥有不同的速度和自旋方向。


正是因为在量子世界中,电子可以拥有如此神奇的本领,这才导致在双缝实验中,电子可以自己和自己发生干涉。这个概念当然会遭到很多物理学家的反对,他们继续在实验室中研究电子到底通过了哪条缝,可是非常奇怪的是,当他们在某条缝隙上安装一个检测装置,一旦明确测定了电子通过哪条缝隙时,干涉条纹就消失了。哥本哈根学派继续解释说,电子以不同的概率同时处在所有可能的位置,在数学上,可以用一个波函数来描述电子在每一个位置上出现的概率。


而薛定谔方程就是一个描述波函数如何随著时间演化的方程,这种演化在没有测量之前,是连续平滑的。但是,一旦对电子进行精确测量,就会得到一个明确的结果,在测量的瞬间,描述多种状态的波函数坍缩成了叠加态中的某一种状态,中断了波函数平滑的演变过程。


可能很多人还是听不明白哥本哈根学派叽叽歪歪地在说什么,没关系,我们总结一下,你只要知道几个结论性的概念就好。


第一,为了解释电子的奇怪现象,哥本哈根学派创造出了一种叫做「叠加态」的概念,它完全超出了我们的日常生活经验,没有人能够真正理解。这就好像让一个天生的盲人去理解什么是颜色一样,他不可能真正理解,但盲人不能因此否定颜色的存在。


第二,当人们继续追问,测量是如何导致波函数突然坍缩的,电子又是怎样从叠加态突然变成了确定态的,哥本哈根学派就回答说这些问题没有意义,我们不予回答,反正知道结果就好了。也确实,按照这套没人能理解的理论,我们就是可以对电子的行为做出精确的计算,从而发明电子计算机等等一系列电子产品。


但是,这样一个理论,让很多物理学家感到非常难受,他们孜孜不倦地寻找著一个更加合情合理的理论,就好像一个不弄清楚颜色是什么就绝不罢休的盲人一样。埃弗里特就是他们中的一员。


1954 年的某个夜晚,埃弗里特和几个好友喝了几杯,正在晕晕乎乎的时候,一个绝妙的想法突然出现在他的脑子中,在随后的几个星期中,他把这个想法发展成了一篇论文的初稿,正是这篇论文,创造了今天被无数科幻作家们热爱的平行宇宙。


埃弗里特是这么想的:

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我认为波只是能量传递在物体物质上的表现形式 物质还是物质 永远不会是波 跟加热铁块会变红 敲打石头会碎裂一样 能量在物体上的传播和作用 也可以是以波的形式 就比如水波 它还是水 只是有能量在里面传递 让水显示出波的样子 难道你会纠结水到底是粒子还是波?明白了这个道理 光也变得非常简单 光既不是波也不是粒子 它只是能量 这种能量作用到物体上 会让物体产生波动 就这么简单如果没有反射物 你是看不见光的 就像你不能隔空制造浪花一样

要是我的话 我会用水分子进行实验 看看它会不会产生干涉?加上测量又会不会变成双缝?到底多微观才能产生如此现象?我个人是不赞同哥本哈根理论的——强词夺理生搬硬套 用结论解释原因 这套理论最大的问题就在于它没有解释为什么观测会使叠加态塌缩 以及电子是怎么知道你在观测它的?整个实验自始至终都是在用单个粒子进行实验 如果一开始就用波的状态实验呢 按照这套理论 加上观测 难道也会变成两条缝么?

是不是单电子的双缝干涉实验?如果不把电子看成一个一个的!说不定能解释这个现象


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