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雙縫幹涉實驗和薛丁格的貓,平行宇宙真的存在?

2024-07-12科學

希姐一直是科幻迷,喜歡看科幻電影、科幻小說,

周末刷到愛因史坦的自傳,

再次翻看初中學過的這一物理知識。

量子力學是不是真的說明平行宇宙是存在的?

在量子力學領域裏,有一個非常著名的假想實驗,就是「薛丁格的貓」。這實驗名字聽起來就挺玄乎的,但咱們盡量用大白話來解釋一下。有一個密閉的箱子,裏面放了一只貓、一瓶毒氣和一個放射性原子核。

這個原子核有一半的可能性會發生衰變,一旦衰變就會觸發毒氣釋放,那貓可就遭殃了。但要是原子核沒衰變,那貓就安然無恙。

在沒開啟箱子之前,咱們是不知道貓的死活的。按照量子力學的說法,這時候的貓可是既死又活的疊加狀態!聽起來是不是覺得腦子都不夠用了?這就是量子疊加態的詭異之處。

咱們先不聊貓的生死,來聊聊這個實驗背後的意義。薛丁格提出這個實驗,其實是為了嘲諷當時量子力學的不完備性。一個宏觀的物體,比如這只貓,怎麽可能同時處於死和活兩種狀態呢?這在我們日常生活中是完全無法想象的。

但量子力學就是這麽神奇,它告訴我們,在微觀世界裏,粒子在被觀測之前,其存在狀態是模糊的、疊加的。只有當我們進行觀測時,它才會展現出一個確定的狀態。這就像是在玩一個魔術,你不揭開謎底,就永遠不知道真相是什麽。

我想給大家對比一下經典物理和量子物理的區別。在經典物理裏,物體的狀態是確定的,就像你扔一個球,它要麽飛出去,要麽掉下來,不會存在既飛出去又掉下來的情況。但在量子物理裏,這種疊加態卻是家常便飯。

讓我們再回到那只貓身上。在箱子未開啟之前,貓的死活成了一個懸念。這種懸念不僅僅是對我們觀察者而言,更是對量子力學理論本身的一種挑戰。因為按照量子力學的觀點,只有當我們開啟箱子,進行觀測的那一刻,貓的死活才會被確定下來。

也就是說,箱子的貓就處於生和死的疊加態,一只「既死又活」的貓誕生了。現實中怎麽存在這樣的貓?這顯然是不可能的。

哥本哈根學派的代表人物波爾是這樣解釋的,思想實驗中的貓是量子貓,它處於生和死的疊加態。當我們開啟箱子的一瞬間,貓的生死才會顯現出來,也就是說,生或死是完全隨機的。

說到這,你是不是覺得整個世界都變得虛幻起來了?這就是量子力學的魅力所在。它讓我們開始懷疑,我們所看到的客觀世界,是否真的就是那麽真實?還是說,一切都只是我們觀測的結果?

關於薛丁格的貓的爭議一直沒有停止過,不過目前來看,波爾確實是對的,愛因史坦和薛丁格錯了。

貓的確處於生和死的疊加態,當然現實中不可能存在這樣的貓。還有一點,我們開啟核子意味著觀測,而任何觀測行為都會讓疊加態塌縮為確定的單一狀態。

下面再來看看電子雙縫幹涉實驗。

在我們的傳統認知裏,電子是粒子,就像一個玻璃珠那樣。現在準備一塊擋板,擋板上有兩條狹縫,擋板後面有接受電子的螢幕。

十九世紀,湯瑪斯·楊反擊牛頓,他只幹了一件事,讓一束光透過了兩條小縫,後面有塊感應屏。「按照牛頓的說法」這個實驗的結果應該是兩條條紋,如下面:

實際上卻出現了下面的結果:

於是老楊說光就像下面的水波一樣,其實波:

透過縫隙的光波變成了兩個波,兩個波接觸幹涉,出現和水一樣的現象,於是在螢幕上顯示出幹涉條紋。

這就是雙縫幹涉實驗,但是詭異的事情是量子力學的雙縫幹涉實驗。

既然光是一粒一粒的,那麽我們把光子一粒粒透過雙縫會發生什麽?(實際實驗用的是電子,道理是一樣的)

大佬們很快地照著兩條縫像機關槍一樣發射一梭子電子,顯示器上隨機出現大量的粒子,但站遠點看這些粒子同樣組成了幹涉條紋。既然是粒子,為何會發生幹涉?

於是有人認為一大堆電子在一起擠來擠去的所以發生了幹涉,有點像兒童樂園裏的海洋球,當你跳進去,海洋球雖然是一粒一粒的,但是會像波一樣往向外擴散,於是就有了雖然是粒子但同樣會發生幹涉。但真的只是這樣嗎?

圖:實驗結果

科學家再次做了實驗,改成了「手槍式」發射,「啪」打一發電子,電子到達了感應屏,再打下一發,杜絕了兩個電子在運動時發生幹涉。然而科學家懵了,快點打和慢點打,結果是一樣的,螢幕還是出現了波動性,才會出現的幹涉條紋,而不是兩條條紋!也就是說單個電子發生了幹涉,那麽它和誰幹涉呢?就兩個縫,它只能選一個穿過,另一個縫沒有電子出來,上哪幹涉去?

為了解決了問題,大佬們就在實驗中安上了光電探測器「去看它」,看看電子是如何完成幹涉的!結果發現電子老老實實的在感應屏上形成了兩條條紋。大家:上帝,告訴我發生了什麽!

上面的故事已經給了答案:波粒二象性

先按不靠譜的平行宇宙理論來解釋:你不看時,電子即從A縫過去,又從B縫過去,然後發生了幹涉,你可以理解為量子出現了一個分身。如果你去看它,宇宙就分裂了,如果電子從A縫進入,那麽平行宇宙中的電子就從B進入,是我們去探測引起了宇宙的分裂,導致處於兩個宇宙中的電子(分身)無法形成幹涉。

波爾的解釋:前半段和平行宇宙一樣,電子處於疊加態,這是一個波的狀態,但當你去看它,就隨機塌縮成了粒子態。

宇宙中所有的物質都是由量子組成的,既然每個量子都有不同的狀態,那麽宇宙也有可能並不只是一個,而是由多個宇宙組成。