关于光的本质之争,在物理学界绵延数百年,激起了激烈的讨论。物理学者眼中,波与粒子是截然不同的存在。一个物体如何能在同一时刻兼具粒子的集中与波的扩散?这不仅违反了常理,也挑战了我们对世界的基本认知。

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为了探寻光的真身,物理学者们开展了种种实验,其中一个尤为引人注目的就是众所周知的双缝干涉实验。

实验设计并不复杂,容易理解。两个狭缝,加上一个可以发射光子的光源。

实验之初,并非利用双缝,而是单缝。将光源对准单缝照射,屏幕上会形成单一条纹,中心明亮四周逐渐黯淡。这显示了光的波动性,单缝造成的衍射效果。

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接着,物理学家将单缝替换为双缝,屏幕上随即出现了一系列干涉条纹。结果不难理解,光线穿过双缝后发生干涉,如同水波一般,波峰波谷相间。

至此,一切似乎合情合理,光就是波的观念似乎稳如泰山。

然而,“粒子派”的物理学者们愤愤不平,他们设计了改良版的双缝干涉实验,这一次,他们让单个光子逐一通过双缝(不用纠结如何做到,暂且信赖他们的非凡智慧)。

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想象一下,一个个光子如同小球飞越双缝。在现实世界,我们很容易预见屏幕上将呈现两条显著痕迹,这与我们的日常经验相符。

但实验结果却出人预料。科学家们逐一发射光子,屏幕上并未出现预期的两条条纹,反而是多条明暗相间的干涉条纹。显然,单个光子在通过双缝后发生了干涉,形成了独特的图案!

这样的结果令人难以置信,不符合逻辑。出现干涉条纹意味着光子必须同时穿越两个狭缝。但按照实验设定,光子是逐一发射的,理论上绝无可能同时通过双缝!

物理学界大为震惊,这一诡异的实验现象出乎所有人预料。原本旨在探明光是粒子还是波的实验,却给科学家们带来了更大的困惑。最终,“光是粒子还是波”这一问题变得不那么重要,紧要的是物理学者们必须尽快对实验结果作出解释。

如何解释光子能够同时通过两条狭缝的谜团?

想要弄清答案,方法并不复杂。在狭缝旁安置摄像机直接观测,这个方法显而易见,物理学家们自然也能想到,并付诸实践。

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实验的对象由光子转为电子,因为电子有质量和电荷,易于观测;而光子难以捕捉,毕竟我们只有在光线反射进眼睛时才能看见。若实验中的光子直接反射入眼,实验将失去意义,而让实验中的光子反射其他光子也非常困难。

实验结果一波又起,物理学家们果真看到了电子经过的具体狭缝,却未料到观测行为本身会改变实验结果。

屏幕上曾显现的多条干涉条纹神奇消失,转而呈现出两条清晰的条纹!

换句话说,在未被观测时,电子能够同时穿越双缝;然而,一旦实施观测,电子则开始有序地一个个通过狭缝,仿佛成了玻璃小球。

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物理学家们几近疯狂!然而,更骇人的实验结果还在继续,下一轮的实验更是让他们心生恐惧。

不得不佩服物理学家们的智慧,既然观测可能改变电子通过双缝的状态,那在电子未抵达屏幕前实施观测应该不会有问题吧?

新一轮实验启动,物理学家们在双缝后方设置摄像机,想要观察电子究竟如何穿过双缝。

诡异的现象再次出现。电子似乎能“读懂”研究者的意图,当摄像机开启进行观测时,电子会“乖乖”变成如同玻璃球一般,屏幕上出现两条条纹;而摄像机关闭后,多条干涉条纹再次显现。

这就是延迟实验。

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其结果显然违反了现实世界的因果定律,因为电子的状态在通过双缝后本应已定,要么呈现粒子性,要么展现波动性,无法更改。但实验结果表明,人类的观测似乎能够改变电子在双缝时的状态。

要知道,观测发生在后,电子通过双缝在前!这意味着,后来的事件影响了已经发生的过去,结果可以改变原因!这太过荒谬!进一步说:我们可以改变历史!

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爱因斯坦坚信自己的信仰:因果律不可能被打破。而以波尔为首的“哥本哈根学派”开始得意洋洋:看到实验结果了吧,一切都由不确定性主导,电子在未被观测时处于叠加态,无法精确描述其状态。一旦进行观测,电子状态立刻确定,这就是所谓的“坍缩”。

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波尔进一步解释:在量子世界,不存在我们传统意义上的因果关系,取而代之的是互补原理,原因与结果可以互补影响,形成一个整体。

波尔的见解或许让人难以理解:未来的事件可以影响现在乃至过去。这句话若非出自著名物理学家之口,若非有真实实验为证,你是否会认为说这话的人已然疯狂?

难怪费曼会说:没有人能真正理解量子力学。他这句话的深意在于我们不能用现实世界的常识去解释量子世界。

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然而,微观世界与宏观世界并无明确的界限,我们本身也是由微观粒子所构成。如果像电子这样的微观粒子拥有波的特性,位置与速度均不确定,能够在原子核周围随意出现,那么理论上,我们人类也应该拥有类似的特性。

德布罗意提出的“物质波”概念正好触及了这一点,他宣称“万物皆波”,所有事物都具有波动性,且可以计算出波长,公式如下:

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λ代表物体的波长,h是普朗克常数,m是物体质量,v是物体速度。物体质量越大,波长越短。我们在宏观世界中见到的物体波长极短,因此通常只表现出粒子性而非波动性。

但从纯理论角度分析,仍然存在极微小的概率,你也可以同时通过两条狭缝,你可以同时出现在两个不同的地点,比如此刻的你不仅在阅读这篇文章,也可能同时身处月球或其他任何地方。

这样的观点,是否令你彻底疯狂?