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关于量子力学的实验可自己做的:违反常识的五个量子力学实验

时间:2024-02-12 22:45:48/人气:479 ℃

费曼——“佯谬仅仅是现实和你心目中的现实应该是什么样子之间的冲突”。

量子力学光怪陆离,往往产生很多难以理解现象;以下是五个量子力学实验,分别是:双缝干涉实验,贝尔不等式实验,延迟选择实验,薛定谔的猫思想实验,光的偏振实验。每个实验结果,都和大多数人的常识相矛盾,不知你能看出其中原因吗?让我们一起来体验其中的奥妙吧!

1. 双缝干涉:难道人的意识真的参与了实验?

量子力学揭示,任何微观事物都不是连续的,都是波动性和粒子性的叠加,尤其是在双缝干涉实验中,波动性和粒子性表现为两个极端,然而选择表现什么性质,居然取决于我们的观察。

电子双缝干涉实验

实验过程:电子枪发射电子束,随机穿过双缝落到荧光屏上。

实验结果:电子穿过双缝落到荧光屏上,产生一道道干涉条纹。表明电子以波的形式运动,即便是一个个地发射电子,荧光屏上还是会出现干涉条纹。

科学家想知道,一个个地发射电子,为什么也会呈现干涉条纹,于是将高速探测器对准双缝,检测每个电子究竟是穿过了双缝中的哪条缝。

这时候奇迹出现了:此时电子不再发生干涉现象,而是直接穿过双缝落到屏幕上的,形成两道痕迹,呈现出粒子性质,波动性质完全消失,一旦撤出探测器,干涉条纹立马又会出现!

自作漫画

双缝实验经过无数改良,科学家得到的都是一样的结果,是否对发射粒子进行观察,是两组实验的唯一区别,难道我们只是看了一眼,就改变了粒子的性质?反对哥本哈根的人解释到,我们对电子进行观察,必定会对电子造成影响(比如发射光进行观察,那么光子一定和电子碰撞),这种影响或许会完全湮灭电子的波动性。

没错,我们对世界的任何观察,无论你多么小心谨慎,无论你的实验手段有多高,都会对观察对象造成不可预知的影响,那么,在双缝实验中是这种情况吗?可惜的是,答案是否定的!哥本哈根诠释和这个解释是不相容的,哥本哈根诠释必须要求不确定性原理是量子的内秉性质,如果是观察手段不精确造成的不确定性,那么我们有办法间接地去验证,爱因斯坦也正是这样想的,所以才有了后来他提出来的EPR佯谬,然而实验结果毫不客气地站在了哥本哈根诠释的一边,爱因斯坦再次失利。

爱因斯坦:量子是知道我们在观察它?

波尔:……恩嗯恩……波函数坍塌可以解释这一切。

爱因斯坦:这里的波函数如何坍塌的呢?

波尔:不知道!

爱因斯坦:那波函数何时坍塌的呢?

波尔:不知道!

爱因斯坦:……这也不知道,那也不知道,那你知道什么?

波尔:波函数告诉你坍塌结果就行了,讨论过程是没有意义的,或许是因为:你信仰的斯宾诺莎的上帝并不存在。

爱因斯坦:……%#¥×&@……

2. 贝尔不等式:世界也许真是虚幻的!

谈贝尔不等式前,我们先来了解两个基本概念——定域性和实在性,由于这两个概念专业描述太深奥,为了大家理解,在不失本质下,我们可以这么描述。

定域性:一定时间内,因果关系只会维持在特定的区域内;换句话说,就是信息的传递不能超过光速。

实在性:真实事物客观存在,不依赖于观察者。换句话说就是唯物性,反之就是唯心性。

贝尔不等式,就是基于这两个非常基本的概念,再利用严谨的数学逻辑推理得到的:

贝尔不等式

上世纪初,量子力学横空出世,以波尔为代表的哥本哈根诠释拿下量子力学的桂冠,但爱因斯坦不接受哥本哈根学派的解释,并且抛出了那句名言“上帝不掷骰子”。

你猜我掷骰子吗?

为此,波尔和爱因斯坦多次进行了“学术交锋”,但是爱因斯坦每次向哥本哈根打去一"拳",都被波尔完美地反击回来,反而让爱因斯坦尴尬无比,最后爱因斯坦明白,波尔的量子力学是相容的,不可能在其体系内击垮它,只能从他的完备性去找出漏洞,至此,爱因斯坦联合波多尔斯基和罗森,1935年为论证量子力学的不完备性,共同提出的一个著名的悖论(佯谬)——EPR悖论(这里我们不做过多说明,有兴趣的同学,可以自行去了解)。

后来,爱因斯坦提出一个不同于哥本哈根诠释的理论——隐变量诠释,爱因斯坦的追随者——波姆,发展了这个理论。

隐变量理论(hidden variable theory):又称隐变数理论,爱因斯坦坚信,量子力学的哥本哈根诠释是不完备的,表现出来的不确定性并非真随机的过程,其背后隐藏了一个尚未发现的理论,该理论可以完整地解释物理系统所有可观测量的演化行为,一旦我们加入了这些变数,就能避免任何不确定性或随机性。

十多年来,量子力学的哥本哈根诠释和隐变量诠释,都是公说公有理,婆说婆有理,谁也否定不了谁,但是逐步改进的物理实验,毫无例外地支持波尔的哥本哈根解释,并且以前无未有的精度,符合哥本哈根诠释的预言,至此,哥本哈根诠释成了量子力学的正统解释,爱因斯坦的隐变量诠释,犹如一个流浪汉,躲在角落里战战兢兢,虽然隐变量诠释无法被否定,但是也不知道它的未来在哪!

1955年,爱因斯坦带着他未完成的统一场论,遗憾地离开了人世,但是他的隐变量诠释也不乏支持者,贝尔就是其中一个。

贝尔

然后到了1964年,在英国原子能研究所工作的贝尔,发现了一个强有力的数学不等式(也可以叫定理),该定理在定域性和实在性的双重假设下成立,并对两个分隔的粒子,同时被测量时其结果的可能关联程度,建立了一个严格的限制。贝尔立马意识到,该不等式可以完成对量子力学的检测,因为哥本哈根诠释下的量子力学,其关联度将超过不等式的限制,贝尔非常高兴地发表了他的这个发现,并呼吁有条件的实验物理学,完成对这个等式检测的实验,但是这个实验的条件要求实在太高了。

直到1982年,科学家阿斯派克特,才首次完成了贝尔不等式的验证实验,实验结果以意料之中,但又震惊科学界的姿态,向人们展示了量子力学的力量,没错,实验结果违背了贝尔不等式极限,并且以哥本哈根诠释的方式去违背,这说明了什么???

贝尔不等式被违背

贝尔不等式以定域性和实在性推导出来,如果贝尔不等式被破坏,那么说明定域性和实在性至少有一个是错误的,或者两者都错了。

无论是哪种情况,都注定了爱因斯坦的隐变量诠释出局,因为隐变量诠释完全基于定域性和实在性为基础,阿斯派克特的实验结果出来后,隐变量诠释的支持者,还在做最后的挣扎,对阿斯派克特的实验,提出了一些漏洞,比如定域漏洞,检测漏洞,随机性漏洞等等……。实验物理学家们,也在不断改进阿斯派克特的实验,每次实验的改进,结果都以更高的精度支持了哥本哈根诠释,直到2015年,科学家堵住了实验的几乎所有漏洞,结果毫无意外地支持哥本哈根诠释,至此,隐变量诠释彻底出局。

虽然哥本哈根诠释已注定是量子力学的正统,但是也不乏其他竞争者,比如休.埃弗雷特提出的平行宇宙诠释,还有导航波诠释等等。

至此,量子力学的正统解释,强有力地预言所有量子现象,但是定域性和实在性的选择上,至今争论不休,没有确切的定论。

好啦!以上故事就到这里,另外三个实验,我将完善在后续文章中,有兴趣的读者,可以点击关注我们,也可以给我们留言。

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