自然哲学(philosophy of nature,nature- philosophy)指多少含有形而上学观点的对自然的解释。在古希腊的自然哲学中与生物学关系最密切的是亚里士多德(Aristoteles)的各种概念。但是单称为自然哲学的生物学时代的自然哲学是指从十八世纪后半叶到十九世纪以德国古典哲学为基础而诞生的哲学观点(也称为浪漫主义自然哲学),它是以谢林(F.von Schelling)的哲学为代表的。在谢林的哲学出现之前,歌德、K.F.Kielmeyer、奥肯都已是自然哲学的生物学家。歌德型(原型)的概念和他与奥肯的脊椎脑颅说就是以该哲学为背景所产生的。这种在自然哲学的生物学中采用对重演论预见的平行法则和自然梯级等的连续性法则,它是否与进化的观点有直接联系,一般还是问题,否定的意见很多。再有“natural philosophy”也是自然哲学,但它只不过是物理学的同义词而已。
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宇宙的膨胀速度正越来越快,但究竟有多快,世界各地的天文学家似乎还没有达成一致。自从宇宙诞生以来,它就一直在膨胀。天文学家对宇宙膨胀的速度一直争论不休,各种观点也越来越令人眼花缭乱。从邻近来源测量的膨胀速率,似乎与从遥远来源测量的膨胀速率相冲突。一种可能的解释是,宇宙中发生了一些奇怪的事情,改变了膨胀速率。
一位理论物理学家提出,宇宙中出现了一种全新的粒子,并且正在改变我们整个宇宙的未来命运。
哈勃常数
在宇宙学研究中,哈勃-勒梅特定律是宇宙膨胀理论的基础,以方程表示就是v=H0D,其中v是由红移现象测得的星系远离速率,H0是哈勃常数,而D是星系与观察者之间的距离。哈勃常数代表了目前宇宙的膨胀速率,为了测量它,天文学家设计了许多聪明的方法。
其中一种测量方法是观察邻近的超新星爆发,即宇宙中大型恒星死亡时所爆发出的气体和尘埃。有一类超新星具有非常明确的亮度,因此我们可以比较它们实际的亮度和应该有的亮度,然后计算距离。接着,通过观察超新星的主星系发出的光,天体物理学家也可以计算出它们远离我们的速度。把所有的信息综合在一起,我们就能计算出宇宙的膨胀速率。
除了超新星,宇宙中存在的另一种东西也可以提供有关膨胀速率的信息,这就是宇宙微波背景辐射,相当于宇宙大爆炸后留下的残余。当时的宇宙还处于婴儿阶段,年龄只有38万年。通过像普朗克卫星等任务,科学家绘制了这些残余辐射在整个天空的各向异性图像,从而对宇宙的组成成分有了更精确的了解。利用这些图像和数据,科学家可以通过计算机模型来计算宇宙成分随时间的变化,从而得出如今的膨胀速率应该是多少。这种方法假设宇宙的基本成分从开始膨胀起就没有改变过。
这两种方法估计的数值相差甚远,科学家开始思考其中到底遗漏了什么。
宇宙的暗面
也许,两种方法中有一个或两个测量结果并不正确,或者不完整;双方的许多科学家在争论中都认为出错的是对方。但是,如果我们假设这两种测量方法都是准确的,那我们就需要其他的东西来解释不同的结果。由于一个结果来自非常早期的宇宙,另一个结果来自比较近期的宇宙,因此有科学家提出,也许宇宙中存在某些新的成分,正在以一种计算机模型中尚未涉及的方式改变着宇宙的膨胀速率。
主导目前宇宙膨胀的是一种神秘的现象,科学家称之为暗能量。就这种我们根本不理解的东西而言,这是一个恰如其分的名字。我们只知道,宇宙的膨胀速率还在增加,而驱动这种加速的力量就是暗能量。在年轻宇宙与现今宇宙的比较中,物理学家假设暗能量是恒定的。但如果是这样的假设,分歧就仍然存在,因此可能暗能量正在改变。
让我们假设暗能量正在改变。科学家猜测暗能量可能与被锁在时空真空中的能量有关。这种能量来自于宇宙中弥漫的量子场。在现代量子物理学中,每一种粒子都与特定的场联系在一起。这些场冲刷着所有的时空,有时,场的一部分还会在某些地方变得非常活跃,形成已知的粒子,比如电子、夸克和中微子等。所有的电子都属于电子场,所有的中微子都属于中微子场,以此类推。这些场的相互作用构成了我们理解量子世界的基础。
无论去到宇宙的什么地方,你都无法逃离量子场。即使某个特定位置的量子场没有足够的振动来产生一个粒子,它们也仍然在那里,不断摇摆和振动,做着正常的量子运动。因此,这些量子场具有一定的与之相关的能量,即使在真空中也是如此。
如果我们想利用时空真空的量子能量来解释暗能量,我们马上就会遇到问题。科学家进行了一些非常简单的计算,估计真空中有多少能量是由所有的量子场引起的,结果得到一个比观察到的暗能量强120个数量级的数值。然而,当科学家尝试一些更复杂的计算时,得到的结果却是零。这也与暗能量的测量值不一致。
因此无论如何,我们都很难通过时空真空能量来理解暗能量。但是,如果宇宙膨胀速率的测量都是准确的,那就表明暗能量确实在变化,这可能会给我们一些了解量子场本质的线索。具体来说,如果暗能量在变化,那就意味着量子场本身也在变化。
新的敌人出现了
意大利帕多瓦大学的理论物理学家马西莫塞尔多尼奥近期在预印本网站arXiv上发表了一篇论文,计算了暗能量变化所需的量子场变化量。
如果存在一个与暗能量变化有关的新量子场,那就意味着宇宙中存在一种新的粒子。塞尔多尼奥计算出的暗能量变化值要求特定的粒子质量,而这一质量刚好与此前预测的一种新粒子的质量大致相同,那就是所谓的轴子。物理学家提出这个假想粒子的原因,就是为了解决我们在理解强核力的量子理论时遇到的一些问题。
轴子可能出现于非常早期的宇宙,但一直潜伏在宇宙微波背景中,由其他力和粒子控制着宇宙的走向。现在可能轮到轴子发挥作用了即便如此,我们还从未探测到轴子。如果科学家的计算是准确的,那就意味着轴子确实存在,充满了宇宙和宇宙中的量子场。或许轴子通过改变宇宙中暗能量的数量,已经引起了科学家的注意。尽管还从未在实验室里探测过这种粒子,但它可能正在最大的尺度上改变着宇宙。
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本文全面详细介绍了量子力学领域,深刻又有趣,并且与宏观世界大相径庭的概念、现象、以及实验。
主要探讨了: 不确定性原理、波粒二象性、量子纠缠、超光速信息传递,以及双缝干涉、光子延迟、量子擦除等实验原理,还有实验结果的分析、观测的本质 ,等诸多方面的内容。
对于目前科学已知的内容,进行了详尽客观的解读,对于目前还无法科学解释的现象,进行了多个视角的观点论述。
本文力求把量子力学领域几个著名有趣的认知,完整客观的呈现出来,并希望能够展现出,微观世界的不可思议与叹为观止,引发更多的思考和想象。
海森堡 不确定性原理指出,无法同时精确的获得粒子的 位置 和 动量 。用公式来表达就是: ∆x ∆P ≥ h / 4π ——其中∆x是位置变化量(粒子位置的不确定性),∆P是动量变化量(粒子速度的不确定性 粒子质量),h是普朗克常量。
这个公式的内涵就在于, 位置变化 与 动量变化 的乘积是一个 常数。 这就意味着,位置变化与动量变化是此消彼长的关系——位置变化越小,动量变化就越大,动量变化越小,位置变化就越大。
显然,变化区间越大就越不确定,变化区间越小自然就越确定。所以,体现出的就是位置和动量无法同时精确获得,也就是:知道粒子的位置,就不知道它的速度,知道粒子的速度,就不知道它的位置。
事实上,与位置和速度相关的物理量,比如 能量和时间、角动量和角度 等共轭量,通过数学推导,也会得出同样的结论:是无法同时精确获得这些成对的共轭量的。
那么,为什么微观的粒子,会呈现出这种不确定性呢?
来自 海森堡 的解释是:不确定性是粒子内在的秉性,既波粒二象性,要测量粒子准确的位置就要波长尽量短,波长越短就越呈现非连续化的粒子特性,对被测粒子动量干扰就越大,而要测量准确的速度就要波长尽量长,波长越长被测粒子的位置就越不精确。
我们可以从两个角度,来理解这个粒子的不确定性:
第一种,确定就需要观测,而观测本身会影响观测结果,导致不确定。
事实上,这里隐藏着一个基础事实, 就是信息的传递依赖于光。 也就是说,无论使用什么技术手段进行测量,我们想要获得测量的信息,就必须使用光传递信息,而这也就是为什么, 信息的传递不能超越光速的原因所在 。
于是测量微观粒子,我们就需要用光去照射它,然后捕获这个被粒子散射的光,从而得到粒子相关的状态信息。
那么,如果要确定粒子的瞬时位置,就需要使用波长尽量短的光去照射,因为被测粒子的位置如果处在光波的波峰之间就得不到位置信息——相当于光线绕过了粒子,所以光的波长越短——几乎走直线,获得的位置信息就越精确。
但由于波粒二象性,此时光呈现粒子性,成为不连续的光子,并且波长越短,频率就越高,能量也就越大。因此,高能量的光子撞击到被测量的粒子上,就会干扰粒子的速度和运动方向——导致无法获得其精确的速度信息。
那么,如果要确定粒子的速度,显然就需要光的波长尽可能的长,因为波长越长,频率就越低,能量也就越小,此时光子对粒子速度和运动轨迹的影响也就越小。而速度等于距离除以时间,我们并不关心粒子的瞬时位置,只需要准确的距离信息。
所以,波长越长测量粒子的速度就越精确。但同时,粒子的瞬时位置就会因为波长更长,而变得更加不精确。
可见,这个不确定性, 一个层面是来自于信息的传递依赖于光,另一个层面是光子与被测量粒子,它们之间产生了互相影响 ——这就导致了观察结果包含了观察行为的影响,而不是观测前的状态结果。
第二种,粒子的状态呈现一种概率(由波函数描述),是粒子固有的秉性,其精确性受到了更为深刻和本质的限制。
这种观点认为,在观测之前,粒子的状态就是不确定的,与测量无关。并且在测量之前,粒子的状态可由波函数描述为一种概率分布,而测量会让波函数坍缩,代表着粒子状态由不确定转变为确定的原因和过程。
当然,客观上我们无法获得测量之前的粒子状态, 所以你说在测量之前,粒子状态是无法确定的,还是确定但无法获得的,这又有什么区别呢?
这就像,看不到就等于不存在,不知道就等于没发生,测不到就等于不确定。或者就像说,没有超光速的粒子,等同于有超光速但无法感知的粒子,黑洞里没有光,等同于光无法逃逸出黑洞一样。
那么,这个 粒子固有的秉性 ,其实就是 波粒二象性 与 量子纠缠 ,接下来我们就深入展开来说说这两种特性。
一切微观粒子(包括电子、质子、中子,光子,甚至某些原子和分子),都具有波粒二象性,这表明微观粒子,既可以有 连续的波动性 ,也可以有 非连续的粒子性。
波动性, 就是有波长和频率(包括波峰、波谷、相位等),以及会发生干涉和衍射效应。 粒子性, 就是有非连续(离散)的运动状态,比如任意时刻,有确定的空间位置和速度,而与其它粒子相互作用时,会表现出能量和动量的不连续性,并且不会发生干涉和衍射效应。
而波粒二象性是遵循 互补原理的 ,即波动性与粒子性,在同一时刻是互斥的,不会在同一次测量中出现。所以,两者在描述微观粒子时就是互斥的——不会在实验中产生冲突。
也就是说,如果试图去观测获取粒子的粒子状态,则就会让粒子的波动性(干涉和衍射效应)消失。反之,如果粒子呈现了波动性(比如干涉效应),那么这时候粒子的粒子状态(位置和动量)就是不确定的。
事实上,波动性和粒子性是粒子不可分割的属性,并且有着如下的关联:
从宏观角度来看, 波的波长越长频率越低,越呈现波动性,波的波长越短,频率越高,越呈现粒子性; 而从微观角度来看, 粒子的状态由波函数描述,既可以表现出像波干涉和衍射一样的叠加性,也可以以概率的形式表现出粒子的非连续性。
这里需要注意的是, 粒子波动性的叠加性,并不是像宏观机械波那样的,是介质振动的相互叠加。而是波函数所描述的概率的叠加,也就是粒子可能出现的位置和动量性质的概率叠加。
也正因为此,波粒二象性与不确定性,其实是等价的。 可以说,正是因为粒子有了波动性,才会让其呈现出了不确定性,并且观测就会让其波动性消失,转变为粒子性的确定性。
甚至,我们可以认为,任何物质(包括宏观)都有波动性,只不过波长越短——超级短,就无法呈现可观测的波动性了,转而表现出了粒子性。
最后,值得说明的是,波动性和粒子性,是实验中客观展现的 性质 ,而 不是本质 ,两者分别代表着 不同的抽象模型 ,从不同的角度去解释微观粒子的状态特征,并且很明显这两种模型都是从宏观角度出发,进行的唯象形态描述。
那么,至于微观粒子真正的形态,目前科学上并没有统一的图像,只能进行不同角度侧写拼凑——如同盲人摸象,但可以想象,在更高的层次上,粒子的波粒形态必然又是统一的,因为它们是同一个共同的 本质 ,所表现出来的可观测性质。
量子, 是一个物理量,如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子——比如光子就是光量子。通俗地说,量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。
量子纠缠, 是指在量子力学中,当两个或两个以上的粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,所以无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,这时粒子个体之间,所表现出的神秘关联现象(超距作用),就是量子纠缠。
比如,一对纠缠态的光子,每个光子都处在叠加态——此时状态不确定,并且可以分别在任意不同的地方,那么对其中一个光子的测量,就会让其叠加态坍缩为确定态,同时另一个光子的状态,也会瞬间产生同步变化——由叠加态坍缩为确定态。(多个光子之间也可以形成纠缠态,那么一个变化,其它的都会一起同步变化)
这其中的关键就是,另一个光子的状态本来是不确定的,但它仿佛知道了,被测量光子状态的变化,然后自己做出了相应的变化。
要知道,被测粒子的状态在测量之前,可以是叠加态中的任意值,而另一个粒子,在被测量粒子确定状态之前,是无法确定自己的状态的。 这意味着,量子纠缠,让两个粒子产生了神秘的——超越时间和空间的——关联现象。
需要注意的是,量子纠缠并不是一个粒子瞬间(超光速)对另一个粒子产生了影响,而是它们的共有整体状态,跨越了一个广域的距离,从而同步变化—— 也就是局部会服从配合整体性质的变化,也就是个体会出现统计属性。
事实上,可以说万事万物最终都是由量子所构成的,而万事万物从微观到宏观,又充满了局部与整体的关系,那么量子纠缠,就会在跨越广域的距离上,产生广泛的、根本性的相互影响。
所以,并不是观察行为会影响量子系统,而是 任何存在、任何行为,都无时无刻不在影响着量子系统的状态,并且这个状态变化的影响,会以量子纠缠的形式,进行超距的相互影响。
因此,从这个角度来看,无论观测还是不观测,微观量子层面的确定性信息,都会因为量子系统的特性,而无法获得。
而从图灵的角度来看,为什么我们无法知道量子的全部确切状态?这是因为测量状态的机器,是由量子所构成(一切物质在最底层都是由所量子构成),这就形成了一个循环不可计算的递归,让被计算实体与计算实体发生了纠缠。(宇宙的奥秘:递归、分形、循环)
那么,可以想象,我们想要的确定性,其实只有建立在微观不变化、不互相影响的基础之上才行。但此时上层的一切都会不存在——或是与现在完全不同的形式存在。
最后,宏观上并没有量子纠缠效应,就像宏观物体没有微观的波粒二象性一样,可以理解为这些微观量子效应,在宏观被压制在了无法被观测的状态——数学求解得出无限小,极限就是不存在,或理解为存在于未知领域。
然而,在我们无法观测和感知的背后,却存在一个完整统一的整体,并涵盖了所有的未知领域, 只是我们的认知,不一定就存在一条信息路径,可以抵达那个统一整体的终极本质。
显然,我们依赖光去获取信息,就不能超越光速去获得信息。但量子纠缠,却可以无视距离和光速,产生状态之间的同步变化,那么这岂不是可以超光速传递信息了?
结论是,量子纠缠依旧无法超越光速传递信息。
首先, 我们需要明白,传递信息要有 输入信息 和 读取信息 ,完成这两个步骤才算是完成了一次信息的传递。
其次, 处在纠缠态的粒子,测量会导致其叠加态塌缩——这是 输入信息 ,接着瞬间,其它与之纠缠粒子产生变化——我们测量这些变化就是 读取信息 。
那么问题就是,都是测量,哪一次代表了输入信息,哪一次又代表了读取信息呢?
输入与读取有先后顺序,那么我们的测量也就需要有先后顺序。 显然,测量的先后顺序就依然需要光速来传递信息,以确定测量的先后。
最后, 我们无法向一个量子纠缠系统中,输入我们想要的数据,因为微观状态是完全随机的——不可控。所以,粒子纠缠态之间的同步变化,所能传递的,仅仅是一些随机的信号——属于噪音而不是信息——我们无法从中获得任何有用的信息。
以下阐述的实验均被实际验证,这里只简述过程和原理。
单电子双缝干涉实验
一个一个发射电子,通过双缝挡板,击中挡板后的侦测屏,每次等到侦测屏显示电子击中后,才发射第二个电子。反复发射多个电子,最终在侦测屏上,记录电子所形成的图案,显示出了干涉条纹。如果封闭一个缝隙,变成单缝隙,侦测屏则没有干涉条纹出现。
这个实验,与光的干涉实验完全不同,因为光的干涉是光通过双缝,形成两组光波,最后产生干涉条纹。而这里是单个电子通过双缝,最终也形成了干涉条纹,前者是群体,后者是个体。
这里有几点需要说明的是:
第一, 多个电子在侦测屏上,形成的干涉条纹,是符合波函数的概率分布预测的。
第二, 一个电子在侦测屏上,只能是一个点,而不是干涉条纹,需要多次发射电子,才能形成概率分布图案——产生干涉条纹,此时单个电子在群体事件中,显示出了统计属性。
第三, 干涉条纹意味着,单电子通过双缝时,产生了波的干涉效应,相当于电子同时通过双缝,产生了两个波源,然后自己和自己干涉。
第四, 如果单电子每次只是随机的通过一条缝隙,就不会在双缝之后自己和自己干涉,那么最终的图案就不会出现干涉条纹,而只会是两条明亮的条纹。
这个实验说明了,单电子具有波动性,就是 电子在空间中的位置是不确定的——呈现一种概率分布,这种位置分布的概率能够叠加,形成干涉效应——就是增加某些位置出现的概率,减少某些位置出现的概率。
最终,电子击中侦测屏,它的波动性转变为粒子性,也就是概率给出结果——位置确定。而多个电子形成的干涉图案,就会体现出一个电子波动性的自我干涉叠加。
因为实际上,在干涉条纹中,所有点都对应着电子能够随机到的位置,而只有电子呈现波动性,并且自己和自己干涉,才会产生那些明暗点的位置概率,从而形成明暗条纹。否则,就只会有两条亮色条纹的位置概率,而不会有暗色条纹的位置概率。
双缝干涉实验——观察者效应
与单电子双缝干涉实验一样,只不过,在双缝挡板前进行观测,以确定单电子如何穿过双缝。结果是,观测到每个电子随机穿过了一条缝隙,侦测屏最终的干涉条纹消失,只有两条明亮的条纹。但去除观测手段,干涉条纹就会再次出现。
这个实验正是说明了,波粒二象性的 互补原理, 如果 观测 ,粒子给你展现的就是粒子性,并且波动性就退化了;而 如果不观测 ,那么粒子的波动性就又会出现,并且粒子性就退化了。
惠勒光子延迟实验
一个光子,射入一个半透镜,那么就有一半的概率穿过,一半的概率被反射,这是一个量子随机的过程。
第一种情况, 在半透镜两边,放置侦测屏,就可以检测光子是穿过半透镜,还是被半透镜反射。结果显示,每个光子,只会随机让一个侦测屏产生亮点,多次之后依旧是亮点。这说明了,光子每次只会穿过或被反射。
第二种情况, 利用两个反射镜,将可能穿过半透镜,或是被半透镜反射的光子,继续导入第二个半透镜的两面。也就是说,如果光子穿过第一个半透镜,则会进入第二半透镜的一面;如果光子被第一个半透镜反射,则会进入第二个半透镜的另一面。
要知道,第二个半透镜依然有一半的概率,让光子穿过或反射。那么接下来,在第二个半透镜的两边,放置侦测屏,以检测穿过或被反射的光子。
结果显示,每次发射一个光子,经过多次,在其中一个侦测屏上,出现出了干涉条纹。
这说明了,一个光子进入第一个半透镜,同时穿过和被反射,然后按照两条路径运行的光子,同时进入第二个半透镜的两面,又继续同时穿过和被反射。
那么,在第二个半透镜的两面,都会有穿过和反射的光子。通过调整光子的相位,就可以让光子自己和自己,在一面相互抵消,而在另一面相互干涉。从而在一个侦测屏上,产生干涉条纹。
第三种情况, 在光子经过第一个半透镜的过程中,并没有第二个半透镜,这相当于第一个情况,光子会穿过或被反射。然后在光子完成第一个半透镜的量子随机后(穿过或被反射),再“延迟”加入第二个半透镜。
结果显示,与第二种情况一致,光子会同时穿过和被反射。这说明了,我们“延迟”加入第二个半透镜的行为,让光子已经确定第一种情况的选择后,神奇的切换到了第二种情况。 这样,我们的延迟选择,就决定了已经完成的选择。
对于这个实验, 惠勒后来引用玻尔的话说: 任何一种基本量子现象,只在其被记录之后才是一种现象,我们是在光子上路之前,还是途中来做出决定,这在量子实验中是没有区别的。光子在通过第一块透镜,到我们插入第二块透镜这之间,它到底在哪里,是个什么,是一个无意义的问题,我们没有权利去谈论它,因为它不是一个客观真实!
量子擦除实验(Quantum Eraser Experiment)
这个实验有些复杂,但已经被成功验证。
第一步, 我们创造出一对纠缠态的光子,间隔发射,通过双缝板——上面有缝A和缝B,并且这一对光子,在通过双缝的时候不分离。但我们不知道这一对光子,是通过A、还是B、还是同时通过AB。
第二步, 这一对光子,通过双缝后,如果在A处会被分离为纠缠态的两个光子——A1A2,如果在B处会被分离为纠缠态的两个光子——B1B2,其中A1和B1将会进入透镜,被集中到D0侦测屏,最终显示出干涉条纹。
此时,D0上的光子,无法区分哪些是A1,哪些是B1,这就意味着,不知道这些光子来自哪个缝隙——A或B。显然,是纠缠态的一对光子同时进入了AB,然后同时在A分离出A1,在B分离出B1,并且A1和B1在透镜之后产生干涉,才能在D0显示出干涉条纹。
第三步, A2和B2将会进入偏光镜,分别走向不同的方向。并且去向的地方, 均在远离D0的位置, 这说明了在A2和B2仍在运动的过程中,D0已经检测到光子。
第四步, A2进入半透镜,有50%的概率进入侦测屏D4,另外50%的概率进入半透镜,之后又有50%的概率(50%中的50%就是25%的概率)进入侦测屏D1,和50%的概率(50%中的50%就是25%的概率)进入侦测屏D2。
同理,B2进入半透镜,有50%的概率进入侦测屏D3,另外50%的概率进入半透镜,之后又有50%的概率(50%中的50%就是25%的概率)进入侦测屏D1,和50%的概率(50%中的50%就是25%的概率)进入侦测屏D2。
总结起来就是, A2有50%概率进入D4,25%的概率进入D1,25%的概率进入D2;B2有50%概率进入D3,25%的概率进入D1,25%的概率进入D2。(D1D2无法区分A2B2)
第五步,D1和D2侦测屏,都没有反应。 那么,这个时候如果D4有反应,说明是A2(状态塌缩),与之纠缠态的A1——会在D0产生反应;如果D3有反应,说明是B2(状态塌缩),与之纠缠态的B1——会在D0产生反应。
于是,通过D4和D3的反应(不会同时反应),我们就知道了在D0处的是A1还是B1,然而此时,D0处的干涉条纹就消失了。显然,这是因为我们确定了这一对纠缠光子,通过AB缝的准确路径,于是这一对光子的状态塌缩,展现出了粒子性,只能在AB中选择一个通过。
第六步,D1和D2侦测屏,其中一个有反应。 此时,A2和B2都有概率形成这个结果,那么我们依旧无法确认,A1和B1谁在D0处产生了反应,即意味着,A1和B1都在D0处,产生干涉,自然干涉条纹就再次出现在了D0。
至此,整个实验完成,有两点值得说明:
首先, D1和D2侦测屏有没有反应是概率,从结果来看:在D1或D2有反应的时候,D0有干涉条纹—— 这相当于擦除了路径信息 ;在D1和D2没有反应的时候,D3或D4会有反应—— 这相当于拥有了路径信息 ,此时D0干涉条纹消失。
其次, 从第三步可知,光子抵达D1234的距离,要长于D0。所以,D1234有没有反应的时候,D0早已出现过了反应——形成条纹,但D0处的条纹是否干涉,依然受控于,后发生的D1234的反应。
这个实验的重点,在于揭示了: 粒子状态的塌缩,不在于观察者,或是什么样的观察者——包括观测技术设备、有无智能和意识等等,而是在于信息路径的构建。
前面的实验,已经毫无悬念的,证明了微观粒子的波粒二象性——与宏观现象完全的不同,让人感觉匪夷所思,并且十分难以理解。
但实验结果是不容置疑的,于是,人们纷纷针对实验结果,开始了各种虚幻的自我解读,以下列举出一些具有代表性的解释:
没有粒子只有波
我们处在无处不在的,就像是汤一样的量子场之中,这些汤(能量场)就像波一样运动。只有在我们观测时候,粒子才会从汤中涌现出来——就像被我们的观测行为给召唤了出来一样。
没有波只有粒子
粒子的运动速度超级快,而我们的观测(曝光)速度又太慢。所以,当我们进行一次观察的时候,所捕获到的图像,其实是粒子快速去到不同地方的样子,而在我们看来就是粒子同时出现在多个地方的样子,所以我们会说粒子有波一样的状态。
没有波也没有粒子
粒子,只是我们根据观测的属性,抽象成了一个宏观唯象的模型。然而,在不同的情况下,根据观测属性,又符合宏观波的唯象模型,所有才会有波粒二象性,这种在宏观下矛盾的状态描述。其实,这些微观物质的本质,是非波非粒的,具体是什么,我们也不知道,目前没有具体的图像。
有波有粒子
微观的物质,在没有观测的时候,是“云”或“雾”的形态,以波的形式运动,只有在观测的时候,才会汇聚到“一点”成为一个粒子。为什么会这样?这是因为“云”或“雾”的能量状态,因为观测受到的干扰,能量丢失变小只能形成一个点,就是粒子。
高维度宇宙
微观物质,是高维度宇宙的投影,它们的行为状态变化莫测,是因为我们只能看到了,这些高纬度投影的片段,所形成的难以理解的运动轨迹和特征形态。
多重宇宙
微观粒子波的特性,是来自于,无数个平行宇宙的粒子,同时叠加的影像。然而,一旦观测,平行时空就会分离,单个粒子就会出现在特定唯一的当前时空。
路径积分表述
在纯粹数学上,路径积分表述,不采用粒子的单独唯一运动轨道,取而代之的是所有可能轨道的总和。使用泛函积分,就可以计算出所有可能轨道的总和。也就是说,微观粒子从一个地方,去到一个地方,会选择可能的所有路径(包括同时穿过双缝),而观测会让观测位置与粒子之间,形成唯一的路径,从而选择消失。
实验质疑
在这些实验中,是如何发射一个电子或是一个光子的,存在一个电子或是一个光子吗?首先假定,有电子和光子,然后再在实验中发现了这些粒子的波动性,这不是一种矛盾吗?
哥本哈根诠释
微观粒子在测量之前,其空间位置是不确定的,所以试图讨论,测量之前的粒子轨迹和路径是没有意义的。所有的不解和困惑,都显然来自于,讨论了不应该讨论的主题。
总结
事实上,一个成功的解释,是可以预测未来所有的情况的。如果可以做到,那么这个解释基本就是一种正确的视角。 而波函数则完美的以概率的形式,预测描述了微观粒子的波动性与粒子性,只不过人们还迫切想要知道的是,这些概率到底是如何形成的——也就是在观测之前都发生了什么。。
追根究底,其实是人们,并不满足于概率与不确定性——这个答案,因为在我们根深蒂固的意识里——一切都是确定的,这是源自于我们的本能和感知的结论。
而本质原因就在于, 连接微观到宏观的是概率 ,但我们处在宏观,理论上概率已经形成了确定的结果,所以我们只能看到确定性,而看不到不确定性。并且,我们还试图用宏观的感知,去解读微观的一切。
或许,束缚我们的就是宏观,而无法抵达微观的路径——就是信息。
在宏观上,通常观测,我们认为就是观察和测试,而在科学上,观测是用技术手段去获取物质的状态信息。那么在微观上,观测一定会落实到,用光子去获取信息,因为信息的传递依赖于光。
然而事实上,在微观实验中,比如 量子擦除实验 ,并非需要我们去完成观测量子的行为和过程,而只要构建出可以观测到的 可能性 ,便可以让量子状态发生变化。
可见,观测对微观的扰动,并非是观测行为本身,而是观测所能够获得信息的可能性,也就是说: 一旦形成信息获取的路径,便可以对微观产生实质性的影响。
这很有趣, 或许信息和路径,才是上层因果逻辑的本质 。而路径又可以形成循环,这样因果和逻辑也就可以形成循环,成为无穷无尽的无限。
而这也可能就是宏观物体,没有微观波动性(不确定性)的原因所在,因为宏观物体的信息路径,显然已经是被确定存在的了。
那么,在不确定性原理中, 试想粒子同时确定的位置和动量信息,是否是客观存在的?
如果是存在的,只是粒子的 固有秉性——波粒二象性, 限制了我们对这个确定信息的获取,那么,我们获取微观信息与确定性本身就是矛盾的,因为获取形成了信息路径,导致不确定,而只有不获取,确定性信息才会客观存在。
这就像,一间不透光的屋子,我想知道屋里子有什么,可一旦有光进入,屋里子的东西就会与光结合产生原来没有的东西,所以我永远无法获得屋里子原有的信息——或许屋里子没有信息,也可能会有无数种信息,谁知道呢?
这一切都在于,我们依赖光去获取信息,更在于我们的本质,都是由同样的量子信息所构成—— 然而,或许一切都是信息,而万物皆比特。 (数学的本质与万物的关联(第二版))
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