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双缝干涉实验到底有多离奇?科学家称:它揭示了平行宇宙的存在

你相信宇宙中还有另一个你存在吗?

近年来兴起的平行宇宙一词,向人们提出了一个观点,即使你不是双胞胎,宇宙中也很可能还有另一个你,因为我们的宇宙是多元的。

你相信平行宇宙的存在吗?

多元宇宙的理论简单来说,就是无数个宇宙的集合,每个宇宙里面都有时间、空间、物质、能量,还有它们特定的物理规律以及常数

在多元宇宙里,这些时间、空间等都是平行存在的,没有交集互不打扰。这就是平行宇宙,也可以叫平行时空、平行世界等等。

平行宇宙跟原宇宙有相同的条件,里面的人和环境都是一样的,只是事物的发展过程不同,结局不同。可能在地球上早已灭绝的动物,却在平行宇宙中活的尚好。

平行宇宙与原宇宙的先天条件相同,但结果会有所不同

这种理论从刚一横空出世就引起了广泛的议论,因为人类观测宇宙那么久,并没有发现另一个世界,甚至除了地球之外都没在其他星球上发现生命。宇宙中有个一模一样的自己从何说起?

从双缝干涉实验说起。

神奇的量子力学实验

在量子力学领域,有一种演示微观物体波动性与粒子的实验叫双缝实验,它是由英国物理学家托马斯.杨在1807年时提出的,又称杨氏双缝干涉实验。

托马斯.杨提出的杨氏双缝干涉实验

这个实验是同时通过两条路径观察微观物体从起点到终点的行动,由于两条路径的行程不同,微观物体的量子态便发生了相移。

这里有两个概念需要稍微解释一下。量子态是量子力学中描述没有物质和能量交换的孤立系统状态;

相移是物理学中波形通过电路在时间上与输入信号之间的差异,输出、输入的正弦波信号的相位差就叫相移。

有了量子态的相移,双路径中的干涉现象就产生了

量子态相移之后,双路径就出现干涉现象了

1961年,德国蒂宾根大学的克劳斯.约恩率先用双缝实验来检试电子的物理行为,证实了电子有干涉现象发生。

1974年,米兰大学的皮尔.梅利在此基础上,成功地电子一粒一粒地发射了出来,并在过程中清楚地观察到了干涉现象。

光的双缝实验

除了电子,双缝实验还可以用来研究光子。早在18世纪时,物理学界就在激烈地争论光到底是波还是粒子,20世纪初,爱因斯坦说光是玻色子,后来的美国科学家也论证了爱因斯坦的说法。

爱因斯坦表示光是玻色子

通过双缝实验我们可以得知,如果光是粒子,就可以笔直地从两条缝隙间穿过;如果光是波,则穿过缝隙的光就会再分裂为两条波源,大概就像水波纹的形状一样。

托马斯.杨在提出双缝实验时,觉得光应该是以波的形式存在的。实验结果显示,光确实是某种形式的波。

实验显示光似乎是以波的形式存在的

坚持认为光是粒子属性的人也做了双缝实验,想推翻以上结论,比如皮尔.梅利。他一次发射一个光子,通过一个缝隙,他本来以为,这样就不会产生两条波源,也不会产生干涉条纹。

结果皮尔发射了70000个光子后,惊奇地发现,干涉条纹还是出现了。通过摄像机的记录,可以看到,发射的光子确实每次都只通过一个缝隙,那为什么还会产生这样的结果呢?

基于这个实验结果,在后来的实验中,研究人员把摄像机换了个位置,让它凑近缝隙处去拍摄,想看看光子走的是哪个裂缝。

摄像机的位置是整个实验中的变量

这次,研究人员再次发现了神奇的事情:光没形成波形,而是成了粒子。而整个实验过程没有变,变的只有摄像机位置,也就是观察点

就算换其他形式的双缝实验,也是一样的结果:观察点不同,光的存在模式就不同,可是能波也可能是粒子。

粒子有种属性叫自旋,自旋为整数的时候称为玻色子,自旋为半整数时则称为费米子。物质的基本结构是费米子,但物质的相互作用却靠的是玻色子传递。

费米子和玻色子的简单区别

因此,要说光是波也可以,粒子也可以。至于它究竟是什么形态,取决于人观察方式的不同

双缝实验与平行宇宙的关系

那这个神奇的双缝实验跟平行宇宙理论有什么关系呢?

量子力学中有叠加态和量子坍塌的说法。叠加态可以简单地理解为,一个光子打出去同时穿过了两边的缝隙;量子坍塌也可以简单地理解为,一件事情从不确定成为确定。

光子发出前,我们不知道它最终呈现出来的是什么状态,直到我们去观察它的时候才发现,它也许是波也许是粒子。

光发出去的之前,我们并不知道它在接收屏上的最终状态是什么

量子也是如此,有研究者发现,每次观察量子它们的状态都不同,宇宙空间的物质由量子组成,那么宇宙也可能存在多种状态,任何细小的变化都会导致宇宙的状态不同。

如果这个理论被证实,那么平行宇宙就是无尽的。因为我们生存的世界每时每刻都在面临选择,每个选择都能分裂出不同的状态,这些状态不会交叠,那么我们理解的宇宙本质也会有所不同。

就好像我们每天走路,你以为是同一条街,同一条路线,如果你把走过的足迹画一条线,会发现其实每天走的都不是重合的路线,每天你都会产生新的足迹。当你迈出第一步时,就已经注定你的第二步跟昨天的不同。

不同的选择会造就不同的结果,每一个结果都是一个宇宙

抉择不同产生的过程和后果都不同,于是便分裂出了更多的宇宙,在这个宇宙中,你顺利地走完了某一段路,而在另一个宇宙中,你却因为足迹的不同而掉到坑里去了,这就是多元宇宙的意思。

根据这个理论,可能在另二个宇宙中,人类还处在某个封建王朝时期,而在第三个宇宙中,人类可能已经打完了核战争,现在的世界满目疮痍。

这么反推过去,双缝实验便是世界上最离奇的实验,可以说,它颠覆了人类对物质的理解。

双缝实验颠覆了人类对物质的理解

其实早在公元前5世纪的时候,希腊哲学家德谟克利特就提出了万物由原子构成,而由原子构成的世界有无数个。因为原子的运动是随机的,它们在碰撞过程中会产生各种形状,于是就构成了无数个不同的世界。

麻省理工学院的宇宙学家马克斯.泰马克认为,有多少个平行宇宙才是最有意思的,这关系着,它们到底能占多大的空间

平行宇宙的数量决定了其占据空间的大小

让我们发散一下这个问题,假设每个平行宇宙中有1亿个人,100个平行宇宙就有100亿个人,在地球上还是在宇宙空间中?又或者,宇宙中就有100个地球?那么他们都在哪里呢?为什么我们看不到另外的99个地球和平行宇宙中的自己?

按双缝实验的理论,我们看不到是因为平行宇宙永不相交,那么悖论又来了,137亿年前,奇点爆炸到底产生了多少个宇宙?或者,本来就不止一个奇点

究竟是一个奇点爆炸产生了很多宇宙,还是很多奇点爆炸产生了很多宇宙?

参考资料:

【1】《十大最美物理实验之首—电子双缝干涉实验》中科院半导体所

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