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科学揭示光子秘密:波动性与观察产生神秘关系

时间:2023-08-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:“子弹”会穿过竖缝,在后面的墙上留下“弹孔”。你射击一阵,“弹孔”会形成一排竖杠,这是因为光子显出了波动性,墙上为干涉图案。但上面的实验却说明实验结果和“观察”有着前所未知的神秘关系。

科学揭示光子秘密:波动性与观察产生神秘关系

首先,他们把光源调到足够弱,让单个光子一颗接一颗地穿过双缝,打到后面的屏上。不出所料,他们看到了干涉图案(一排竖杠,如下图左所示)——光子表现出了波动性。这很经典,没什么好奇怪的。

数学算出未知世界

许多人认为毕达哥拉斯的“万物皆数”是错误的唯心主义——数学是描述世界的,而世界不是按照数学“搭建的”。但人类发现一个怪现象,有许多在现实中没有被发现,甚至很难想象的事物,根据数学被推算出来,结果被科学实验发现了。

最著名的例子之一是反物质的发现。你有生以来接触到的所有物质都是普通物质,也叫做正物质——你的身体,手里的书,眼前的世界都是正物质,其中的电子都是带负电荷的,所以也叫“负电子”。

但狄拉克根据数学推算,发现带正电的电子(也叫 “正电子”)“应该”存在。他和毕达哥拉斯一样,相信“物理定律应该有数学之美”,根据美(对称、简洁)的原则,基于洛伦兹对称性,他创造了著名的狄拉克方程,解释了电子的自旋和磁性。但该方程有一正一负对称的两个解,和这两个解相对应的,是负电子与正电子。

当时人们只发现过负电子,从来没探测到过正电子,说正电子存在,就像说存在一个和太阳对称的 “冰太阳”一样,是无法想象的,甚至是荒谬的。但科学家们根据狄拉克方程算出的结果去寻找,竟然发现了正电子!其后人类发现,组成正物质的正常粒子(“正粒子”)均有与其相对应的“反粒子”,它们可以组成反物质,甚至一个“反世界”。

狄拉克

当正、反物质相遇时,就会相互湮灭抵消而发生爆炸,其能量释放率要远高于氢弹。在丹·布朗的著名小说和同名电影《天使与魔鬼》(Angels and Demons)里,恐怖分子计划用0.25克反物质炸毁整座梵蒂冈城。

虽然数学算出的反物质被发现了,但总有数学算出的东西在现实中并不存在吧?也许,但也许是人类还没发现它们,或还没能理解它们以何种形式存在。

科学发展不仅没能证明“万物皆数”是错的,反而发现越来越多的证据表明它可能是对的,正如比毕氏晚出生两千多年的伽利略所说:“宇宙这部宏伟的著作是用数学的语言写成的。”

电影《天使与魔鬼》海报

双缝实验结果因有无观察而改变(www.zuozong.com)

但每颗光子究竟是从哪条缝过去的呢?他们在缝边装上光电探测器来侦测。但怪事发生了,一旦他们知道了光子是从哪条缝穿过去的,屏幕上的结果就成了两条竖杠(如上图右所示),这显示出光子的粒子性。也就是说,光子在没被观察时表现出波的性质;而被观察时表现出粒子的性质——根据有没有被观察,光子的“行为”是不一样的!(如果想得到更详尽的说明,请参阅《我·世界——摆在眼前的秘密》37。)

打个比方。假想你端着一把以光子为“子弹”的机关枪38站在离两面平行的墙有一定距离的地方。离你较近的那面墙上有两条相距很近的竖缝,你朝它们扫射。“子弹”会穿过竖缝,在后面的墙上留下“弹孔”。因为离得较远,而且“子弹”飞得很快,你看不清每颗究竟是从哪条缝穿过去的。你射击一阵,“弹孔”会形成一排竖杠(如上图左所示),这是因为光子显出了波动性,墙上为干涉图案。

双缝实验的结果因为是否知道光子穿过哪条缝而不同(示意图

但如果你在双缝附近装上高速摄像头,监视每颗“子弹”是从哪条缝过去的,“弹孔”就会形成不同的图案——两条竖杠(如上图右),这是光子粒子态的体现。

这很蹊跷——光子又没长眼睛和脑袋,怎么“知道”有没有被监视,从而显出不同的“行为”?科学家们做了各种实验反复验证,但结果是一样的:如果实验者知道光子是从哪条缝过去的,它们便显出粒子态;如果不知道,则显出波的性质。而且把光子换成其他基本粒子(如电子、质子、中子等)做实验,结果也一样。

这是人类历史上最惊人、也最具哲学意义的发现之一——物理对象根据是否被观察而表现出不同的“行为”。在那以前,人类一直以为实验是独立于“观察”的——有没有人在观察,谁在观察,实验结果都一样。但上面的实验却说明实验结果和“观察”有着前所未知的神秘关系。

除了双缝实验,有许多其他证据也说明“观察”对被观察的对象有着深刻的影响,其中一类被称为量子芝诺效应(Quantum Zeno Effect)37,指持续观察一个不稳定(容易衰变)的粒子,它将不会衰变——足够高频率的观测会使其“冻结”在初始状态。这就像被放在温室里的一块神奇的冰,如果你不管它,它很快就化了;但如果你盯着它看,它就总也不化。39

基本粒子在被观察时,才从波“固定”成一颗确定的粒子(唯一的“现实”),量子物理学家们给这个变化过程取了个玄幻而赋有动感的名字,叫做“坍缩”(“collapse”)。没有观察,就没有坍缩,也就没有被观察到的粒子态,所以不仅“观察”对于实验不可或缺,而且实验结果根本就是“观察”所导致的——你所看到的是因为你在看。玻尔总结得很好:“任何一种基本量子现象只在其被记录(观测)之后才是一种现象”,“而在观察发生之前,没有任何物理量是客观实在的”。

牛顿客观独立、确定僵硬的“大钟世界”在量子力学的实验证据面前轰然崩塌,取而代之的是一团“数字的烟”(概率波或可能性),时间、空间、物质、能量浸没其中,每个观察者用“观察”创造了自己眼中的现实。德国物理学家海森伯(Werner Karl Heisenberg,1901—1976)说得一针见血:“原子或基本粒子本身不是真实的,它们组成了一个潜在或可能性的世界,而不是一个实物或事实的世界。”玻尔也说:“所有我们称之为‘真实’的东西是由我们不能称其为‘真实’的东西组成的。”他十分明白这有多违背常识和直觉,“如果量子力学没从根本上让你震惊,那你就还没弄懂它。”

但仔细推敲一下这些理论就会发现很大的问题:在没有生物对宇宙进行观察之前,宇宙是客观实在的吗?回答这个问题的,是个摸过1.1万伏高压电而生还的人,他的名字叫惠勒(John Archibald Wheeler,1911—2008)。

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