談到電子雙縫實驗,別擔心,它並不那麽駭人聽聞。實驗本身並不令人恐懼,只不過它的結果挑戰了我們對世界的認知,讓我們覺得它不可思議。
在深入探討之前,讓我們先對粒子和波有個基本的認識,雖然你可能對它們有所了解,但我們還是做個簡短的回顧。
記得小時候扔小球到墻上的場景嗎?小球撞擊墻壁只會留下一個點,這體現了粒子性,粒子是直線傳播的,這一點很容易理解。
而當你在廚房叫孩子的名字時,無論孩子在哪個角落,通常都能聽到,這就是波,更具體地說,是聲波。波是向四面八方傳播的。
這些關於粒子和波的性質,在我們的宏觀世界裏很直觀,並且與我們的日常生活經驗相吻合。但一旦進入微觀領域,似乎情況就不同了。
以著名的楊氏雙縫實驗為例,一束光穿過兩條縫隙,分成兩束光後,波峰和波谷相互疊加,形成明暗相間的幹涉條紋。光本質上是一種電磁波,它的波性容易被我們接受。但如果換成某種粒子,比如電子,又會發生什麽?
長期以來,人們認為電子就像小球一樣是實體粒子,穿過雙縫後只會留下兩條條紋,而非明暗相間的幹涉條紋。
但實驗結果卻讓科學家們震驚,無論是連續發射一連串電子還是每次只發射一個電子,接收屏上都顯示了幹涉條紋。幹涉條紋的出現顯然表明發生了幹涉,但只有單個電子穿過雙縫,這意味著電子必須同時穿過兩條縫隙,並與自身發生幹涉。
如果連續發射電子還能理解,那麽單個電子如何同時穿越兩條縫隙並與自身幹涉呢?
科學家們試圖透過電子雙縫實驗的多次改進來揭示真相,比如在縫隙附近安裝探測器來觀察電子如何同時穿過兩條縫隙。
然而,當觀測發生時,科學家們更是目瞪口呆,因為接收屏上的幹涉條紋神秘消失,只留下兩條明亮的條紋,這顯然表明了電子的粒子性。電子並沒有同時穿過兩條縫隙,也沒有與自身發生幹涉。
那麽,之前觀察到的幹涉現象為什麽會在觀測後消失呢?
科學家們百思不得其解,他們推測觀測行為可能影響了電子的狀態,因此決定進行新的實驗,在不直接觀測電子或觀測行為不影響電子幹涉狀態的情況下觀察會發生什麽。
這就是著名的延遲擦除實驗,一個震撼了科學家和所有人的實驗!現在,讓我們盡量用易於理解的語言來描述它。
根據之前的分析,我們知道如果不進行測量,電子顯示波動性,產生幹涉條紋;一旦測量,電子則表現出粒子性,幹涉條紋消失。
那麽,我們能否在不影響電子幹涉狀態的情況下進行觀測呢?你可能會說:不可能,任何觀測都會對電子有影響。
然而,有一種簡單的方法可以實作:在電子產生幹涉條紋之後再進行觀測。你可能會質疑:幹涉條紋已經出現,再觀測還有什麽意義?
別急著下結論,科學家們一開始也是這樣想的,但實驗結果再次出人意料:即使在電子出現幹涉條紋之後進行觀測,結果仍然受到影響。
具體發生了什麽?
我們先設想一個電子穿過兩條縫隙A和B,並放置一個晶體,晶體後的電子會生成一對纏結態的電子,為了方便,我們稱之為電子甲和電子乙。
電子甲繼續飛向接收屏,我們觀察屏上有無幹涉條紋。而電子乙則不會飛向接收屏,而是進入一個延遲觀測裝置。由於甲和乙處於纏結態,我們可以透過觀測乙來了解甲的狀態。
這個裝置有兩條特殊路徑,A縫隙來的電子走路徑a,B縫隙來的電子走路徑b,這兩條路徑長度不同。路徑a比路徑b早t1時間到達檢測裝置,而路徑b則晚t2時間到達。
透過電子到達檢測裝置的時間,我們可以得知乙走了哪條路徑,進而推知乙穿過了哪條縫隙。而此時,接收屏上的幹涉條紋消失了。
如果我們改變路徑b的長度,使a和b路徑長度一致,即消除路徑間的資訊差,那麽我們便無法知道乙走的是哪條路徑,也就不知道電子穿過了哪條縫隙。而此時,接收屏上的幹涉條紋又出現了。
到這裏,你可能意識到了不對勁的地方:電子乙到達檢測裝置的時間點是在電子甲到達接收屏之後!
這意味著什麽呢?
簡單來說,這意味著因果律被完全顛覆了,「果」能反過來影響「因」。具體來說就是:電子甲在穿過雙縫時,已經預知了未來某個時刻是否被觀測,然後決定是否進行與自身的幹涉。
因果律是現實世界的基礎,如果連因果律都能被打破,我們所在的世界是否真實呢?
當然,實驗中的延遲觀測裝置帶來的時間延遲很短,幾乎是一瞬間,因為實驗中電子經過的路程很短。但如果將路程擴充套件到數光年,是否意味著電子可以提前數年知道自己有可能在未來被觀測?
這才是電子雙縫幹涉實驗最讓人感到恐懼和不可思議的地方。至於延遲擦除實驗的解釋,目前還沒有一個令人信服的理論。
延遲擦除實驗促使我們深入思考,我們所認為的、似乎堅不可摧的因果律真的存在嗎?甚至我們自以為的「現實世界」是否真的客觀存在?
這些問題留給大家一起去探索和思考。