【未解之谜】颠覆认知的物理实验

绝对想不到,物理课上的双缝实验居然如此神奇!你看或者不看,实验结果差很大,难道光子具有意识。(大纪元合成)
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大家好,我是扶摇,欢迎和我一起探索未解之谜

今天要给大家介绍一个物理学中最具诡异的实验之一——双缝干涉实验,它可以颠覆您对宇宙、时空、世界的看法。可能不少理工科的观众朋友会说,这个实验高中课本里就介绍过啊,就是用来证明了光具有波动性的一个实验,有什么特别的呢?别着急,等我把来龙去脉说清楚了,大家再做定论。

光的波粒之争

来到物理学的世界,现代科学之父、英国科学家牛顿(Isaac Newton)就是不得不提的人物了。在《时间是幻觉?!》这期节目中他就曾隆重出场过。人类近代光学体系的研究是在17世纪由牛顿建立的。

牛顿为了研究光学,可以说不顾一切。他曾经连续多日用肉眼直视太阳,观察人的视觉对光的感应。甚至用一根针插入自己的眼睛,压迫眼球,以了解人眼在感光中的作用。这里提醒一下,大家可千万不要模仿这些疯狂的行为啊。牛顿在经过大量的实验之后,提出了他对光的理解,即光是一种物质微粒,总是以直线传播,并会发生反射和折射的现象。

而同一时期,英国另一位科学家胡克(Robert Hooke)则提出了光是一种波的理论。光波理论得到了荷兰物理学家惠更斯(Christiaan Huygens)的支持。

牛顿与惠更斯两位科学家泰斗就光是粒子还是波进行了一场辩论,但是谁也说服不了谁。

牛顿在1704年出版著作《光学》(Opticks),用光的波动理论来解释光的粒子性,而此时惠更斯早已去世多年。没有了反驳的人,加上牛顿在物理学的权威性,因此光是粒子的说法,在之后的一个世纪都占主导地位。直到一个人出现了。

杨氏双缝实验

英国科学家托马斯‧杨(Tomas Young)是一个天才性的人物,他十三岁时,就已能阅读希腊文、拉丁文、希伯来文、意大利文与法文的书籍。十四岁时到剑桥大学旁听,第一天上希腊课时,教课的教授迟到了,杨竟然自己站在讲台上给大家上课。教授来了之后,假装是学生旁听了一会儿,然后对杨提问,最后教授对着全班同学说:“如果我以后迟到,就请杨先生先代替我上课。”杨也被称为“世界上最后一个什么都知道的人”。

而我们今天要说的双缝实验的最初版本,就是由杨发明的,也叫“杨氏双缝实验”。实验具体说来很简单,我们需要一个发光源,一个有两条狭缝的不透明板,以及一个可探测光的探测屏。如果光是粒子,那么大家可以想象出,光通过双缝板之后,应该在探测屏上出现两道竖线。那么如果光是一种波呢?那么就会出现多个竖线的干涉波纹。实验结果大家都知道了,探测屏上出现了干涉波,证明光是一种波。

但是光的波、粒性的争论还没完,因为双方都遇到无法解释的现象。最后,这个谜团还是由科学界的天才人物爱因斯坦(Albert Einstein)给破解了。爱因斯坦借由光电效应理论,证明了光的波粒二象性,也就是说光既是一种粒子,也是一种波。

泰勒的双缝实验

杨氏双缝实验”采用的是光束,由很多光子组成。为了更好的研究光子的特性,物理学家们开始对“杨氏双缝实验”进行改造。

1909年,英国物理学家杰弗里‧泰勒爵士(Geoffrey Taylor)降低实验光束强度,使得每次只有一个光子发出,一段时间后再去看探测板,他赫然发现探测板上还是出现了干涉条纹。这意味着光子自己和自己发生了干涉,也就是说,一个光子很可能是同时穿过两条缝。这怎么回事?难道光子是孙悟空吗?还会分身?

为了搞明白这个事,科学家们提出了一个想法。能不能在双缝板与探测板之间加上观测仪器,看看每一个光子到底是从左边通过,还是右边通过。这个想法是简单直接,然而实验结果却是让人惊掉下巴。

原来实验结果显示,只要观测仪器打开,光子就老老实实的显示出粒子性,也就是说,探测板上就只能看到两条竖线。而一旦关闭观测仪器,光子的波动性就出现了,干涉条纹又明晃晃地显现在探测板上了。这个实验可以说是屡试不爽。

说到这里,让我想起了中学在学校上晚自习的情景。只要老师不在,大家看小说的、吃东西的、聊天的什么都有,但是老师一进门时,看到的全是埋头苦学的好学生,因为早有眼尖的同学通风报信了。

那么,回到这个改进版双缝实验,难道说光子能知道有没有谁在观察它,然后依此展现不同的特性吗?

惠勒延迟选择实验

物理学家的兴致被光子给调动起来了。1979年,美国理论物理学家惠勒(John Wheeler)提出了一个思想实验,叫惠勒延迟选择实验(Wheeler’s delayed choice experiment)。这个实验是双缝实验的一种变形。

光子发射到半反半透镜BS1上,有50%的概率通过透明部分透射过去,还有50%的概率碰到镀银的部分,发生反射。这个时候,在A、B两处架设好两面镜子,使得光子无论是透射还是反射,最终都会在C点交汇。在C处放置两个探测器,这样可以得知光子是通过了哪个路径,是 A->C,还是B->C。此时,每次发射光子后,只有一个探测器可以探测到光子,也就是光子表现出粒子性,一次只走一条路。

现在开始加码了,如果我们在C点的两个探测器之前,再放一个半反半透镜BS2,并调整BS2的角度,让某一方向,我们这里假设是A点过来的方向吧,让走A->C路径的光子的干涉波被抵消,这样探测器A就什么都看不见了。这时,科学家发现探测仪B上出现了干涉图案。这说明光子同时通过了两条路径,波动性又出来了。

那么这个实验中的“延时”又是什么意思呢?实验设计,第二块半反半透镜BS2不是一开始就放置在那里,而是在光子已通过A点之后再随机设置上。科学家心里打着小算盘:光子你都走了一半了,我突然不观察你了,难道你还能突然由粒子性变成波性?

实验结果如何,估计大家都已经猜到了。只要设置了第二块半反半透镜BS2,探测器B立马出现干涉图案。

看到这里大家是不是觉得挺烧脑的?其实也可以这样理解,在泰勒的双缝实验中,观察仪器要么是开的,要么是关的。而惠勒的实验,相当于,在光子穿过双缝之后,再临时决定开不开观察仪器,准备给光子来个措手不及。不过,每次光子都能迅速反应,及时调整。光子真是躲猫猫高手啊!

实验做了无数次,结果是一样的。估计科学家此时内心是很崩溃的,这用经典物理学没法解释啊。要么说明光子有预见性,能够预测到科学家什么时候要观察它;要么说明光子能够逆转已发生的事情——一旦发现情况有变,赶快回到过去,重新走一遍。

量子擦除实验

这样看来,似乎光子只要自己走的路径被知道了,就会展现出粒子的特性,乖乖地一次走一条路,否则就是波的特性,到处跑。科学家为了验证这一点,继续改进双缝实验,设计出了“量子擦除实验”。这又是什么东西呢?简单地说,将已知的光子路径变成未知。

1982年,物理学者马兰・史库理(Marlan Scully)与凯・德鲁(Kai Drühl)最先提出量子擦除实验的想法,他们表明,假设测得粒子的路径信息,则观察不到干涉图样,但是,假设能够用某种方法擦除路径信息,则干涉图样又可被观察到。科学家们随后设计出了多种“量子擦除实验”,我们这里仅挑一种方法来和大家说一说。

光子是会旋转的,有左旋和右旋,现在实验通过放置“四分之一玻片”(quarter-wave plate)使得从一个缝出来的光子都是左旋的,从另一个缝出来的光子都是右旋的,这时只要在探测板上探测出光子的旋转性,就知道它是从哪条缝过来的,也就知道它的路径了。这样做时,光子不会发生干涉。而如果在探测屏之前加上一个偏光镜,将所有的光子都改变成左旋或者右旋,这样人们就无法得知到底哪个光子通过了哪条缝,也就相当于擦除了光子路径,这时干涉条纹又回来了。

延迟选择量子擦除实验

这还没完,科学家们是和光子杠上了,又设计出了“延迟选择量子擦除实验”。顾名思义,就是把我们前面介绍的“延迟实验”和“量子擦除实验”结合起来。

找一对相互纠缠的光子a和b,然后光子a通过双缝射向探测器a,不对其进行观察。只观察光子b。因为这两个光子是纠缠的,所以观察一个光子,就等于也观察了另一个。光子b则射向一块偏光镜,通过随机调整偏光镜的角度,从而时而保留光子b的路径,时而擦除它的路径。结果发现,光子b的路径被擦除时,光子a在一切条件不变时,也会对应出现干涉。

而这里光子a和光子b的路径不一定是一样长的。什么意思呢?以夸张的方式打个比方,光子a在一纳秒的时间就可以抵达探测器a,而实验者可以通过仪器让光子b经过一年的时间抵达探测器b,这个时候回过头来检测光子a的情况,如果这一年间光子b的路径是不可知的,那么光子a就会显示出干涉。这就太奇怪了,就好像光子a在一年前就知道光子b之后一年的路径。又好似光子b在一年后穿越回去告诉光子a自己的路径有没有暴露。

如果把这个发生在量子世界的奇事拿到宏观世界来说,似乎可以为宿命论提供一些依据,也就是未来要发生的一切,也许在过去的某一点早就全部定好了,一切只是按照写好的剧本在进行着。看似你的人生很长,但是可能在你出生那一刻什么都注定好了。

但同时,光子随观察而改变又可以这样理解,就是人的意识是可以影响到这个世界的,我们对世界不同的观察和回应,能影响这个世界呈现给我们的样子,也在某种程度上改变着未来。中国古籍中记载了很多行善之人改变命运的故事,或许就是这样的。

超心理学的双缝实验

科学家与量子的躲猫猫游戏发展到这里,其它领域的科学家也来凑热闹了。这次出马的是超心理学家迪恩‧雷丁博士(Dean Radin)。雷丁在以加州为基地的思维科学研究所(IONS)担任首席科学家,在此之前,他曾在AT&T贝尔实验室、普林斯顿大学、爱丁堡大学和国际斯坦福研究所(SRI International)任职。

雷丁在2012年发表的论文中描述了自己的实验过程。他找来了137名冥想者,有的人拥有丰富的冥想经验,善于控制自己的意念,而有的人则是偶尔冥想的人,雷丁将他们分成两组。在他们调整身心进入冥想之后,雷丁向他们发出指令,让他们将自己的意念集中到双缝干涉实验仪器上,保持15-30秒,然后再下令转移意念。

实验结果令人震惊。当冥想者将意念集中到双缝干涉实验上时,探测屏上的干涉图像变淡了,表现光子粒子性的两条竖纹图案变得更加清晰。而当冥想者将意念移开时,清晰的干涉图像又出现了。而且,冥想经验丰富的那一组,实验结果更明显,干涉图像消失得更多。为了减少实验误差,雷丁做了250次这样的实验,结果是一致的。

在之后的改进实验中,雷丁还发现,冥想者与双缝实验器材的远近对实验结果影响不大,冥想者的经验、精神集中力等才是关键因素。雷丁的研究成果说明,至少在微观世界,意识是可以改变物质世界的。这么轰动性的事情,怎么大家好像都没怎么听说过,为什么呢?或许是因为雷丁的结论太过挑战唯物论,或许由于雷丁不是物理学家科班出生,且超心理研究还未能被广泛接受,所以目前科学界对雷丁的实验结果持谨慎态度。

不过,咱们还是那句老话,科学没认识和接受的,并不代表不存在,或许只能说明科学还不够发达。就日常生活来说,可能很多人都发现了,同样一件事情的出现,如果以积极的态度对待,事情就会往美好的方向发展,反之则会越来越糟糕。中国古老的智慧中就有“相由心生,境随心转”的说法,这也算“意识改变物质世界”的一种展现吧。

好了,今天就和大家分享到这里。故事有些长,谢谢大家一直坚持看到这里,未解之谜,我是扶摇,我们下期再见啦。

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责任编辑:李维真#

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