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双缝干涉实验和薛定谔的猫,平行宇宙真的存在?

2024-07-12科学

希姐一直是科幻迷,喜欢看科幻电影、科幻小说,

周末刷到爱因斯坦的自传,

再次翻看初中学过的这一物理知识。

量子力学是不是真的说明平行宇宙是存在的?

在量子力学领域里,有一个非常著名的假想实验,就是「薛定谔的猫」。这实验名字听起来就挺玄乎的,但咱们尽量用大白话来解释一下。有一个密闭的箱子,里面放了一只猫、一瓶毒气和一个放射性原子核。

这个原子核有一半的可能性会发生衰变,一旦衰变就会触发毒气释放,那猫可就遭殃了。但要是原子核没衰变,那猫就安然无恙。

在没打开箱子之前,咱们是不知道猫的死活的。按照量子力学的说法,这时候的猫可是既死又活的叠加状态!听起来是不是觉得脑子都不够用了?这就是量子叠加态的诡异之处。

咱们先不聊猫的生死,来聊聊这个实验背后的意义。薛定谔提出这个实验,其实是为了嘲讽当时量子力学的不完备性。一个宏观的物体,比如这只猫,怎么可能同时处于死和活两种状态呢?这在我们日常生活中是完全无法想象的。

但量子力学就是这么神奇,它告诉我们,在微观世界里,粒子在被观测之前,其存在状态是模糊的、叠加的。只有当我们进行观测时,它才会展现出一个确定的状态。这就像是在玩一个魔术,你不揭开谜底,就永远不知道真相是什么。

我想给大家对比一下经典物理和量子物理的区别。在经典物理里,物体的状态是确定的,就像你扔一个球,它要么飞出去,要么掉下来,不会存在既飞出去又掉下来的情况。但在量子物理里,这种叠加态却是家常便饭。

让我们再回到那只猫身上。在箱子未打开之前,猫的死活成了一个悬念。这种悬念不仅仅是对我们观察者而言,更是对量子力学理论本身的一种挑战。因为按照量子力学的观点,只有当我们打开箱子,进行观测的那一刻,猫的死活才会被确定下来。

也就是说,箱子的猫就处于生和死的叠加态,一只「既死又活」的猫诞生了。现实中怎么存在这样的猫?这显然是不可能的。

哥本哈根学派的代表人物波尔是这样解释的,思想实验中的猫是量子猫,它处于生和死的叠加态。当我们打开箱子的一瞬间,猫的生死才会显现出来,也就是说,生或死是完全随机的。

说到这,你是不是觉得整个世界都变得虚幻起来了?这就是量子力学的魅力所在。它让我们开始怀疑,我们所看到的客观世界,是否真的就是那么真实?还是说,一切都只是我们观测的结果?

关于薛定谔的猫的争议一直没有停止过,不过目前来看,波尔确实是对的,爱因斯坦和薛定谔错了。

猫的确处于生和死的叠加态,当然现实中不可能存在这样的猫。还有一点,我们打开核子意味着观测,而任何观测行为都会让叠加态坍缩为确定的单一状态。

下面再来看看电子双缝干涉实验。

在我们的传统认知里,电子是粒子,就像一个玻璃珠那样。现在准备一块挡板,挡板上有两条狭缝,挡板后面有接受电子的屏幕。

十九世纪,托马斯·杨反击牛顿,他只干了一件事,让一束光通过了两条小缝,后面有块感应屏。「按照牛顿的说法」这个实验的结果应该是两条条纹,如下面:

实际上却出现了下面的结果:

于是老杨说光就像下面的水波一样,其实波:

通过缝隙的光波变成了两个波,两个波接触干涉,出现和水一样的现象,于是在屏幕上显示出干涉条纹。

这就是双缝干涉实验,但是诡异的事情是量子力学的双缝干涉实验。

既然光是一粒一粒的,那么我们把光子一粒粒通过双缝会发生什么?(实际实验用的是电子,道理是一样的)

大佬们很快地照着两条缝像机关枪一样发射一梭子电子,显示屏上随机出现大量的粒子,但站远点看这些粒子同样组成了干涉条纹。既然是粒子,为何会发生干涉?

于是有人认为一大堆电子在一起挤来挤去的所以发生了干涉,有点像儿童乐园里的海洋球,当你跳进去,海洋球虽然是一粒一粒的,但是会像波一样往向外扩散,于是就有了虽然是粒子但同样会发生干涉。但真的只是这样吗?

图:实验结果

科学家再次做了实验,改成了「手枪式」发射,「啪」打一发电子,电子到达了感应屏,再打下一发,杜绝了两个电子在运动时发生干涉。然而科学家懵了,快点打和慢点打,结果是一样的,屏幕还是出现了波动性,才会出现的干涉条纹,而不是两条条纹!也就是说单个电子发生了干涉,那么它和谁干涉呢?就两个缝,它只能选一个穿过,另一个缝没有电子出来,上哪干涉去?

为了解决了问题,大佬们就在实验中安上了光电探测器「去看它」,看看电子是如何完成干涉的!结果发现电子老老实实的在感应屏上形成了两条条纹。大家:上帝,告诉我发生了什么!

上面的故事已经给了答案:波粒二象性

先按不靠谱的平行宇宙理论来解释:你不看时,电子即从A缝过去,又从B缝过去,然后发生了干涉,你可以理解为量子出现了一个分身。如果你去看它,宇宙就分裂了,如果电子从A缝进入,那么平行宇宙中的电子就从B进入,是我们去探测引起了宇宙的分裂,导致处于两个宇宙中的电子(分身)无法形成干涉。

波尔的解释:前半段和平行宇宙一样,电子处于叠加态,这是一个波的状态,但当你去看它,就随机坍缩成了粒子态。

宇宙中所有的物质都是由量子组成的,既然每个量子都有不同的状态,那么宇宙也有可能并不只是一个,而是由多个宇宙组成。