網(wǎng)上流傳著這樣一個關(guān)于量子力學的神話：我們的意識決定著微觀粒子的行為，甚至決定著物理世界的客觀現(xiàn)實。 這是真的嗎？ 本文將為您揭開這個迷思，還原科學的本來面目。 這一切都始于一個實驗。
起源——光的粒子論與波動論之爭
自牛頓時代以來，光的本質(zhì)就在科學界引起爭議。 當時科學界存在兩種完全不同的觀點。 一種觀點是牛頓認為光是一種粒子，另一種觀點是胡克和惠更斯。 Si等人認為光是波。 由于牛頓在物理學界的統(tǒng)治地位和威望，他的光粒子論蓋過了光的波動論，成為此后百年科學界的主流觀點。
直到1801年，即牛頓《光學》出版一百年后，英國科學家托馬斯·楊通過實驗扭轉(zhuǎn)了這一局面，使光的波動論復(fù)活，甚至成為主流。 這個實驗就是雙縫干涉實驗！
光波理論的有力證明——雙縫干涉實驗
雙縫干涉實驗是由單縫衍射實驗衍生而來的。 一束光穿過兩個非常靠近的狹縫后，投射到狹縫后面的屏幕上。 一般來說，當光線通過垂直狹縫照射屏幕時，就會發(fā)生衍射——光線繞著障礙物彎曲和傳播的現(xiàn)象。 你在屏幕上看到的不是垂直的亮帶，而是水平的亮帶。 （如下圖上半部分）這種現(xiàn)象早在17世紀就被意大利耶穌會神父 Maria 發(fā)現(xiàn)，并將其命名為衍射。
當兩條狹縫的亮帶在屏幕后面重疊時，理論上應(yīng)該會顯示出更亮的光帶雙縫干涉實驗，但神奇的事情發(fā)生了。 最終屏幕上顯示的是明暗條紋交替的條紋……（（如下圖下半部分所示）
這是一件很奇怪的事情，因為這些條紋的暗線中應(yīng)該有光，但是當兩條狹縫發(fā)出的光重疊時，那些位置就沒有光了。 這種現(xiàn)象似乎是牛頓粒子理論無法解釋的。 托馬斯·楊受到水波干涉的啟發(fā)，提出光是一種波，深色圖案是由光波的干涉造成的。
光粒子的復(fù)活——愛因斯坦的光電效應(yīng)
人類對宇宙認識的革命永遠是由極少數(shù)天才推動的。 繼雙縫干涉實驗證明光的波動論一百年后，一位天才再次刷新了人們對光的認識。 這位天才就是20世紀最偉大的物理學家愛因斯坦。
1905年，剛剛獲得物理學博士學位、當時還在專利局當職員的愛因斯坦發(fā)表了一篇題為《關(guān)于光的發(fā)射和變換的啟發(fā)式觀點》的論文，以形式解釋了光電效應(yīng)的現(xiàn)象光作為能量量子，即光子。 。 這一開創(chuàng)性的理論為他贏得了 1921 年諾貝爾物理學獎。
粒子與波的探索——單光子雙縫實驗
光量子的提出復(fù)興了光粒子理論，但問題出現(xiàn)了：光是粒子還是波？ 這兩種形式都有實驗證據(jù)雙縫干涉實驗，而且似乎都是正確的。 但問題又出現(xiàn)了。 波和粒子是兩種完全不同的特性。 光在什么情況下會表現(xiàn)出波動特性？ 什么情況下會出現(xiàn)粒子的特性？
光量子假說提出四年后，英國物理學研究生杰弗里·泰勒設(shè)計了一個微光雙縫實驗。 他利用黑化玻璃大幅降低光源的亮度，直到光源與屏幕之間達到理論上的平衡。 任何時刻最多有一個光子通過，然后用相機的感光膠片對光線進行很長時間的曝光，記錄下通過雙縫的光線。
當照片沖洗出來時，神奇的一幕出現(xiàn)了。 即使光子一一通過雙縫，最終曝光的照片中仍然出現(xiàn)清晰的明暗干涉條紋。
這意味著即使只有一個光子通過雙縫，仍然會發(fā)生干涉。 那么光子會干擾誰呢？ 似乎只有一種解釋：光子干擾了自身。
奇怪的物理——光的波粒二象性
這個問題直到10多年后才被法國科學家德布羅意解決。 他在物理學博士論文中提出了波粒二象性。 他指出，不僅光子，所有微觀粒子也都具有波特性，他稱之為物質(zhì)波。 物質(zhì)波理論預(yù)測，單個電子通過雙縫也會產(chǎn)生干涉條紋。
光波什么時候變成粒子？
確定了光的波粒二象性后，一個問題擺在科學家面前：光波什么時候變成粒子的？
一個明顯的事實是：在所有的實驗中，光最終都以粒子的形式出現(xiàn)！ 例如，當光電效應(yīng)中電子被噴射出來時，曝光不足的照片中會出現(xiàn)一些零星的光點，所以答案很明顯：光在觀察時是一種粒子。 換句話說，觀察使波變成粒子？ 如果測量發(fā)生得更早怎么辦？ 科學家決定升級雙縫干涉實驗——測量粒子穿過哪條縫。
科普書中的神話——只要一看，干涉條紋就消失了……
許多人都將科普利對雙縫干涉觀測實驗的描述視為一個近乎神話的故事。 有些故事是用相機拍攝的，有些則是直接用眼睛看到的。 這些描述顯然不是事實，而只是一些虛構(gòu)的思想實驗。 現(xiàn)在看來，這些思想實驗具有極大的誤導(dǎo)性。
直接觀察不會導(dǎo)致干涉條紋消失！ 用眼睛看還是用相機拍都沒關(guān)系！
揭秘——觀察引起的干涉條紋并不奇怪
與很多人想象的相反，科學家們其實并不是被觀察到干擾后消失的實驗結(jié)果所嚇倒，而是這個結(jié)果是他們早就預(yù)料到的。 科學家實際上做的不是觀察，而是測量！
他們想要測量顆粒穿過哪個狹縫，以及如何測量？ 以光子為例。 沒有辦法從側(cè)面看到光子而不干擾它們，所以測量它們的方法實際上是讓光子只通過其中一個狹縫……例如，在其中一個狹縫上放置一個垂直偏振器。 ，這樣所有水平偏振的光子都不能通過這個狹縫……
如果你足夠聰明，能看到這一點，那么你一定發(fā)現(xiàn)了一些棘手的事情。 這是否意味著光線只能通過其中一條裂縫？ 這不是相當于過了一縫嗎？ 我們之前說過物理資源網(wǎng)，光子會互相干擾。 既然光子只能通過其中一個狹縫，那么它們還會干擾誰呢？ ……
到底有什么奇怪的？
綜上所述，干涉條紋因觀察而消失并不奇怪，但這并不意味著量子力學不奇怪！ 量子力學真正的詭異之處在于微觀粒子在被觀察之前所處的“波”態(tài)！ 這種波的狀態(tài)稱為疊加態(tài)。 量子力學真正奇怪的部分就在于這種疊加態(tài)！ 但這已不再是本文的討論范圍。 以后有機會我們再講疊加態(tài)。