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深度长文:如何理解量子世界的波粒二象性?万物都是波?

量子力学诞生一百多年来,外界一直没有停止过对它的质疑。质疑量子力学是很正常的现象,某种意义上来讲,科学就是用来质疑的,尤其是量子力学这样颠覆我们日常认识的科学!

量子纠缠,量子隧穿,电子双缝干涉,波粒二象性,以及量子力学的核心“不确定性”,可以说量子力学完全颠覆了我们所在的经典世界,甚至让我们熟知的现实世界变得模糊,不确定。

在量子力学中,微观粒子都具有波粒二象性,相信大家都知道。那么该如何理解波粒二象性呢?一个微观粒子怎么可能同时具有粒子和波的特性呢?

首先,什么是粒子特性?

通俗来讲,就是确定性。举个例子,你此刻正在读这篇文章,你就是在读这篇文章(这不废话吗?),这是确定的。

什么是波的特性,通俗来讲,就是不确定的,只能用概率来描述。还用上面的例子,你在读这篇文章,同时你也有可能在月球上漫步,还有可能在比邻星上与外星人交流。也就是说你是不确定的,甚至可以同时身处两个不同的地方。

下面正式开始,看看到底什么是波粒二象性。

首先我们来看第一个实验,我们都很熟悉的实验:电子双缝干涉实验。

物理学家一个一个发射电子,电子通过双缝后,落在双缝后面的屏幕上。一开始我们会发现屏幕上出现的只有单个的条纹,这时候的电子表现出来的就是粒子特性。

这很好理解,也符合我们在宏观世界的认知。电子就像宏观世界的玻璃球一样,通过双缝后自然会在屏幕上形成单个的条纹。

但是,如果不断地发射电子,多次重复下去,我们会发现单个的条纹逐渐变成了明暗相间的多个条纹,干涉条纹。很明显,这时候的电子表现出了波的特性。

单个的电子通过双缝后为何会呈现干涉条纹呢?只有一种可能:单个电子“同时”通过了两条狭缝,然后自己和自己发生了干涉。

这太违背我们的日常认知了:单个电子怎么可能同时通过两条狭缝呢?

如果想要理解诡异的量子世界,必须彻底放弃我们的日常认识,必须放弃常识性的东西。你或许会为“电子同时通过两条狭缝”感到惊讶,但这仅仅是开始,让你更惊讶的还在后面。

科学家们总是对违反常识的东西充满好奇,与你我一样,他们也想知道单个电子到底是如何同时通过狭缝的。

他们自然会想到在两条狭缝附近安装摄像头,亲眼看看到底电子是如何做到同时通过两条狭缝的。结果不看不要紧,一看更懵圈了!

电子就好像能读懂人类的思维一样,好像知道有摄像头正在观测它,结果立刻恢复了粒子的特性,干涉条纹消失了。而拿走摄像头之后,干涉条纹又出现了!

不得不说科学家们很聪明:如果说观测行为可能会影响到电子的选择,等到电子通过双缝后再观察总该行了吧?

这就是电子双缝干涉延迟实验。

结果更诡异的现象又出现了。即使科学家把摄像头在电子通过双缝后再进行观察,电子仍旧乖乖地表现为粒子特性,干涉条纹同样会消失。

科学家们一脸懵逼:明明电子是先通过狭缝,然后科学家才进行的观测。电子通过狭缝在前,观测在后,后面的怎么可能影响到前面的呢?

也就是说,结果怎么可能影响到原因呢?如果是真的,显然违反了因果律。科学家们打死也不会承认。

科学家们仍然不死心,他们又进行了更为缜密的实验:量子擦除实验。

这个实验过程比较复杂,我尽量长话短说。通俗来讲,就是利用光子的偏振性和量子纠缠原理,利用两个处于纠缠态的光子(假设是A和B)进行实验。一方面,科学家用光子B进行实验,同时“偷偷地”观察光子A,利用A和B的纠缠态神不知鬼不觉地获取光子A的相关信息。

科学家之所以这样做,就是为了避免观测行为影响到光子A,所以采用了“间接观测”的行为:只观测光子B,利用光子A和光子B的纠缠态获取A的信息。

不得不佩服科学家们聪慧的大脑。但光子好像比科学家更聪明,好像早就识破了科学家们的一切“阴谋”:就算是科学家只观测B,不观测光子A,得到的结果仍旧没有改变:只要一观测光子B,光子A就会表现出粒子性,干涉条纹消失。否则就会表现出波的特定,出现干涉条纹。

是不是越看越懵逼了?甚至开始怀疑自己的智商了?

完全没有必要!因为懵逼的不只是你我,连爱因斯坦这样伟大的科学家也同样会懵逼!

那么该如何解释微观粒子的波粒二象性?如何解释量子世界的诡异现象呢?

目前来看,以波尔为首的“哥本哈根派”提出的“不确定性原理”更被物理学界认可,该原理认为量子世界的一切都是不确定的,我们永远无法同时观测到一个粒子的位置和速度,只能用概率去描述。

同时,波尔也提出了“互补原理”,简单讲就是粒子的波动性和粒子性不会在同一次测量中出现,波动性和粒子性在同一时刻是互相排斥的,但在更高的层次又是统一的。

专业点来说:不确定性从数学上描述了物质的波粒二象性,而互补原理更像是从哲学上解释了波粒二象性。不确定性和互补原理是“哥本哈根学派”的两大支柱。

德布罗意也提出了“物质波”概念,认为万物皆波,包括我们每天看到的宏观物体都具有波的特性,只不过由于质量太大,波的特性几乎不可能体现出来,只能以我们看到的粒子特性显现出来,所以我们会看到周围的物体都是确定的!

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