雪缘园篮球即时比分:“可怕的”雙縫干涉實驗:世界還是你看到的那樣嗎?

來源:狐貍等魚
責任編輯:王強
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什么是雙縫干涉實驗?

在量子力學里,雙縫實驗(double-slit experiment)是一種演示光子或電子等等微觀物體的波動性與粒子性的實驗。雙縫實驗是一種“雙路徑實驗”。

在這種更廣義的實驗里,微觀物體可以同時通過兩條路徑或通過其中任意一條路徑,從初始點抵達最終點。這兩條路徑的程差促使描述微觀物體物理行為的量子態發生相移,因此產生干涉現象。

“可怕的”雙縫干涉實驗及其延伸

雙縫干涉實驗

假若光束是由經典粒子組成,將光束照射于兩條相互平行的狹縫,則在探射屏應該會觀察到兩個單縫圖樣的總和。但實際并不是這樣,如下圖所示,在探射屏顯示出一系列明亮條紋與暗淡條紋相間的圖樣。

由于亮度分布可以用波的相長干涉與相消干涉這兩種干涉機制來解釋,意味著光是一種振動波,這促使光波動說被廣泛接受,也導致17、18世紀的主流理論“光微粒說”漸趨式微。

單獨粒子的干涉現象

隨著科技的快速進步,使用能夠發射單獨電子的物理儀器來進行雙縫實驗,每一次最多只有一個電子通過雙狹縫,而不是一大群電子在很短時間間隔內擠著要通過雙狹縫。值得注意的是,單獨電子似乎可以同時刻通過兩條狹縫,并且自己與自己干涉!

這解釋并不符合平常觀察到的離散物體的物理行為,人們從未親眼目睹老虎在同時刻穿越過兩個并排的火圈,這并不是很容易從直覺就能夠贊同的結果??墑?,從原子到更復雜的分子,包括巴基球,這些微觀粒子都會產生類似現象。

延遲實驗

更令人匪夷所思的還在后面,在1979年為紀念愛因斯坦誕辰100周年的討論會上,約翰·惠勒提出了“延遲實驗”的構想:對電子的雙縫干涉進行了進一步思考,并指出我們可以“延遲”電子的決定,使得它在已經實際通過了雙縫屏幕之后,再來選擇究竟是通過了一條縫還是兩條。此種說法震驚當時的學術界。

眾多科學家紛紛進行實驗,結果是:在確定電子通過雙縫之后,迅速在擋板前放置高速攝像機時并沒有出現干涉條紋;反之,在電子通過雙縫后,迅速移除高速攝像機,干涉條紋還出現!這說明,“我”是否放置攝像機將影響電子以怎樣的方式通過雙縫。也就是說“我”現在的一個行為,竟然決定了電子過去的行為!

對此的解釋“哥本哈根詮釋”與“薛定諤的貓”

哥本哈根詮釋

除了光子的發射時間與抵達探測屏時間以外,在這兩個時間之間任何其它時間,光子的位置都無法被確定;為了要確定光子的位置,必須以某種方式探測它;可是,一旦探測到光子的位置,光子的量子態也會被改變,干涉圖樣也因此會被影響。

所以,在發射時間與抵達探測屏時間之間,光子的位置完全不能被確定。

薛定諤的貓

設想在一個封閉的匣子里,有一只活貓及一瓶毒藥。當衰變發生時,藥瓶被打破,貓將被毒死。按照常識,貓可能死了也可能還活著。量子力學告訴我們,存在一個中間態,貓既不死也不活,直到進行觀察看看發生了什么,可貓既活又死違背了邏輯思維。

盡管如此,長期以來物理學家們出于或許實用主義的考慮,還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價:違反了薛定諤方程。

背后的意義

這樣稀奇古怪的事情說明了什么呢?

這說明,宇宙的歷史,可以在它實際發生后才被決定究竟是怎樣發生的!在薛定諤的貓實驗里,如果我們也能設計某種延遲實驗,我們就能在實驗結束后再來決定貓是死是活!比如說,原子在1點鐘要么衰變毒死貓,要么就斷開裝置使貓存活。但如果有某個延遲裝置能夠讓我們在2點鐘來“延遲決定”原子衰變與否,我們就可以在2點鐘這個“未來”去實際決定貓在1點鐘的死活!

這樣一來,宇宙本身由一個有意識的觀測者創造出來也不是什么不可能的事情。雖然宇宙的行為在道理上講已經演化了幾百億年,但某種“延遲”使得它直到被一個高級生物所觀察才成為確定。我們的觀測行為本身參與了宇宙的創造過程!這就是所謂的“參與性宇宙”模型(The Participatory Universe)。

宇宙本身沒有一個確定的答案,而其中的生物參與了這個謎題答案的構建本身!

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薛定諤的貓2113名稱薛定5261諤4102貓也稱:薛定諤的貓英語名稱:Schr?dinger's cat薛定諤貓的概念薛定諤貓是關于量子理論1653的一個理想實驗。實驗內容:這個貓十分可憐,她(假設這是一只雌性的貓,以引起更多憐憫)被封在一個密室里,密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個錘子,錘子由一個電子開關控制,電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變,則放出阿爾法粒子,觸動電子開關,錘子落下,砸碎毒藥瓶,釋放出里面的氰化物氣體,雌貓必死無疑。這個殘忍的裝置由薛定諤所設計,所以雌貓便叫做薛定諤貓。薛定諤貓提出原文:薛定諤在1935年發表了一篇論文,題為《量子力學的現狀》,在論文的第5節,薛定諤描述了那個常被視為惡夢的貓實驗:哥本哈根派說,沒有測量之前,一個粒子的狀態模糊不清,處于各種可能性的混合疊加.比如一個放射性原子,它何時衰變是完全概率性的。只要沒有觀察,它便處于衰變/不衰變的疊加狀態中,只有確實地測量了,它才隨機選擇一種狀態而出現。那么讓我們把這個原子放在一個不透明的箱子中讓它保持這種疊加狀態。現在薛定諤想象了一種結構巧妙的精密裝置,每當原子衰變而放出一個中子,它就激發一連串連鎖反應,最終結果是打破箱子里的一個毒氣瓶,而同時在箱子里的還有一只可憐的貓。事情很明顯:如果原子衰變了,那么毒氣瓶就被打破,貓就被毒死。要是原子沒有衰變,那么貓就好好地活著。自然的推論:當它們都被鎖在箱子里時,因為我們沒有觀察,所以那個原子處在衰變/不衰變的疊加狀態。因為原子的狀態不確定,所以貓的狀態也不確定,只有當我們打開箱子察看,事情才最終定論:要么貓四腳朝天躺在箱子里死掉了,要么它活蹦亂跳地“喵嗚”直叫。問題是,當我們沒有打開箱子之前,這只貓處在什么狀態?似乎唯一的可能就是,它和我們的原子一樣處在疊加態,這只貓當時陷于一種死/活的混合。一只貓同時又是死的又是活的?它處在不死不活的疊加態?這未免和常識太過沖突,同時在生物學角度來講也是奇談怪論。如果打開箱子出來一只活貓,那么要是它能說話,它會不會描述那種死/活疊加的奇異感受?恐怕不太可能?;謊災?,薛定諤貓概念的提出是為了解決愛因斯坦相對論所帶來的祖母悖論,即平行宇宙之說。薛定諤貓疑惑盡管量子論的誕生已經過了一個世紀,其輝煌鼎盛與繁榮也過了半個世紀。但是量子理論曾經引起的困惑至今仍困惑著人們。正如玻爾的名言:“誰要是第一次聽到量子理論時沒有感到困惑,那他一定沒聽懂。薛定諤的貓是諸多量子困惑中有代表性的一個。這個貓十分可憐,她(假設這是一只雌性的貓,以引起更多憐憫)被封在一個密室里,密室里有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個錘子,錘子由一個電子開關控制,電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變,則放出阿爾法粒子,觸動電子開關,錘子落下,砸碎毒藥瓶,釋放出里面的氰化物氣體,雌貓必死無疑。這個殘忍的裝置由薛定諤所設計,所以雌貓便叫做薛定諤貓。原子核的衰變是隨機事件,物理學家所能精確知道的只是半衰期—衰變一半所需要的時間。如果一種放射性元素的半衰期是一天,則過一天,該元素就少了一半,再過一天,就少了剩下的一半。但是,物理學家卻無法知道,它在什么時候衰變,上午,還是下午。當然,物理學家知道它在上午或下午衰變的幾率—也就是雌貓在上午或者下午死亡的幾率。如果我們不揭開密室的蓋子,根據我們在日常生活中的經驗,可以認定,雌貓或者死,或者活。這是她的兩種本征態。但是,如果我們用薛定諤方程來描述薛定諤貓,則只能說,她處于一種活與不活的疊加態。我們只有在揭開蓋子的一瞬間,才能確切地知道雌貓是死是活。此時,貓的波函數由疊加態立即收縮到某一個本征態。量子理論認為:如果沒有揭開蓋子,進行觀察,我們永遠也不知道雌貓是死是活,她將永遠到處于半死不活的疊加態。這與我們的日常經驗嚴重相違,要么死,要么活,怎么可能不死不活,半死半活?薛定諤挖苦說:按照量子力學的解釋,箱中之貓處于“死-活疊加態”—既死了又活著!要等到打開箱子看貓一眼才決定其生死。(請注意!不是發現而是決定,僅僅看一眼就足以致命!正像哈姆雷特王子所說:“是死,還是活,這可真是一個問題。只有當你打開盒子的時候,迭加態突然結束(在數學術語就是“坍縮(collapse)”),哈姆雷特王子的猶豫才終于結束,我們知道了貓的確定態:死,或者活。哥本哈根的幾率詮釋的優點是:只出現一個結果,這與我們觀測到的結果相符合。但是有一個大的問題:它要求波函數突然坍縮。但物理學中沒有一個公式能夠描述這種坍縮。盡管如此,長期以來物理學家們出于實用主義的考慮,還是接受了哥本哈根的詮釋。付出的代價是:違反了薛定諤方程。這就難怪薛定諤一直耿耿于懷了。尋找薛定諤貓哥本哈根詮釋在很長的一段時間成了“正統的”、“標準的”詮釋。但那只不死不活的貓卻總是像惡夢一樣讓物理學家們不得安寧。格利賓在《尋找薛定諤的貓》中想告訴我們的是,哥本哈根詮釋在哪兒失敗,以及用什么詮釋可以替代它。1957年,埃弗雷特提出的“多世界詮釋”似乎為人們帶來了福音,雖然由于它太離奇開始沒有人認真對待。格利賓認為,多世界詮釋有許多優點,由此它可以代替哥本哈根詮釋。我們下面簡單介紹一下埃弗雷特的多世界詮釋。格利賓在書中寫道:“埃弗雷特…指出兩只貓都是真實的。有一只活貓,有一只死貓,但它們位于不同的世界中。問題并不在于盒子中的放射性原子是否衰變,而在于它既衰變又不衰變。當我們向盒子里看時,整個世界分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其余的各個方面都是全同的。唯一的區別在于其中一個版本中,原子衰變了,貓死了;而在另一個版本中,原子沒有衰變,貓還活著。也就是說,上面說的“原子衰變了,貓死了;原子沒有衰變,貓還活著”這兩個世界將完全相互獨立地演變下去,就像兩個平行的世界一樣。格利賓顯然十分贊賞這一詮釋,所以他接著說:“這聽起來就像科幻小說,然而…它是基于無懈可擊的數學方程,基于量子力學樸實的、自洽的、符合邏輯的結果?!霸諏孔擁畝嗍瀾韁?,我們通過參與而選擇出自己的道路。在我們生活的這個世界上,沒有隱變量,上帝不會擲骰子,一切都是真實的。按格利賓所說,愛因斯坦如果還活著,他也許會同意并大大地贊揚這一個“沒有隱變量,上帝不會擲骰子”的理論。這個詮釋的優點是:薛定諤方程始終成立,波函數從不坍縮,由此它簡化了基本理論。它的問題是:設想過于離奇,付出的代價是這些平行的世界全都是同樣真實的。這就難怪有人說:“在科學史上,多世界詮釋無疑是目前所提出的最大膽、最野心勃勃的理論。薛定諤方程埃爾溫·薛定諤在20世紀20年代中期創立了現在被稱為量子力學分支中的一個方程。后來被稱之為薛定諤方程:▽2ψ(x,y,z)+(8π2m/h2)[E-U(x,y,z)]ψ(x,y,z)=0量子理論是20世紀科學的重大進展之一,但由于量子力學對傳統觀念所帶來的巨大沖擊,連“量子”的提出者在內的科學家都想盡各種辦法拒絕它,或做出各種調和性的解釋。事實上,薛定諤就被量子力學的結果弄得心神不安,他不喜歡波粒二象性的二元解釋以及波的統計解釋,試圖建立一個只用波來解釋的理論。薛定諤嘗試著用一個理想實驗來檢驗量子理論隱含的不確之處。設想在一個封閉的匣子里,有一只活貓及一瓶毒藥。當衰變發生時,藥瓶被打破,貓將被毒死。按照常識,貓可能死了也可能還活著。但是量子力學告訴我們,存在一個中間態,貓既不死也不活,直到進行觀察看看發生了什么。量子力學告訴我們:除非進行觀測,否則一切都不是真實的。愛因斯坦和少數非主流派物理學家拒絕接受由薛定諤及其同事創立的理論結果。愛因斯坦認為,量子力學只不過是對原子及亞原子粒子行為的一個合理的描述,是一種唯象理論,它本身不是終極真理。他說過一句名言:“上帝不會擲骰子。他不承認薛定諤的貓的非本征態之說,認為一定有一個內在的機制組成了事物的真實本性。他花了數年時間企圖設計一個實驗來檢驗這種內在真實性是否確在起作用,但他沒有完成這種設計就去世了。薛定諤貓態美國科學家宣布,他們成功讓6個鈹離子系統實現了自旋方向完全相反的宏觀量子疊加態,也就是量子力學理論中的“薛定諤貓”態。根據量子力學理論,物質在微觀尺度上存在兩種完全相反狀態并存的奇特狀況,這被稱為有效的相干疊加態。由大量微觀粒子組成的宏觀世界是否也遵循量子疊加原理?奧地利物理學家薛定諤為此在1935年提出著名的“薛定諤貓”佯謬?!把Χㄚ堂ā毖鵜偕枇蘇庋恢智榭觶航恢幻ü卦謐壩猩倭坷睪頹杌锏拿鼙杖萜骼?。鐳的衰變存在幾率,如果鐳發生衰變,會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子,貓就會死;如果鐳不發生衰變,貓就存活。根據量子力學理論,由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加,貓就理應處于死貓和活貓的疊加狀態。這只既死又活的貓就是所謂的“薛定諤貓”。顯然,既死又活的貓是荒謬的。薛定諤想要借此闡述的物理問題是:宏觀世界是否也遵從適用于微觀尺度的量子疊加原理?!把Χㄚ堂ā毖鵜擅畹匕鹽⒐鄯派湓春禿旯鄣拿燈鵠?,旨在否定宏觀世界存在量子疊加態。然而隨著量子力學的發展,科學家已先后通過各種方案獲得了宏觀量子疊加態。此前,科學家最多使4個離子或5個光子達到“薛定諤貓”態。但如何使更多粒子構成的系統達到這種狀態并保存更長時間,已成為實驗物理學的一大挑戰。美國國家標準和技術研究所的萊布弗里特等人在最新一期《自然》雜志上稱,他們已實現擁有粒子較多而且持續時間最長的“薛定諤貓”態。實驗中,研究人員將鈹離子每隔若干微米“固定”在電磁場阱中,然后用激光使鈹離子冷卻到接近絕對零度,并分三步操縱這些離子的運動。為了讓盡可能多的粒子在盡可能長的時間里實現“薛定諤貓”態,研究人員一方面提高激光的冷卻效率,另一方面使電磁場阱盡可能多地吸收離子振動發出的熱量。最終,他們使6個鈹離子在50微秒內同時順時針自旋和逆時針自旋,實現了兩種相反量子態的等量疊加糾纏,也就是“薛定諤貓”態。..內容來自雪缘园首页 www.606887.live請勿采集。

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