光在日常生活中十分常見, 不管是人造光還是自然光都對人類生活有著非常重要的作用。
它雖然看起來十分普通,但要真的研究起來,還是讓許多科學家都傷了腦筋。
光對人們的生活有很重要的意義
有關光的實驗中最著名的是什麼呢?那必然是轟動物理界的 雙縫干涉實驗了。
該實驗的目的是什麼?結果如何?量子力學中所說的 量子糾纏又是什麼?玻爾和愛因斯坦的觀點有什麼不同?
雙縫干涉實驗曾經讓整個物理學界都為之震驚,可后來的 貝爾不等式檢測更是 讓人類對世界的真實性產生了更大的懷疑。
貝爾不等式檢測究竟是什麼?為何說它是 對于世界真實存在性的判決?
雙縫干涉實驗
物理學界一直對光的基本構成有所爭議,一些人認為 光是由粒子構成,另一些又主張 光是由波構成。
兩方各執己見都說服不了對方,于是他們決定 共同做一場實驗,來看看光到底是由什麼構成,這就是雙縫干涉實驗的由來。
雖然聚集了許多著名的科學家,但這場實驗并沒有多麼「復雜」,實驗道具只是 一盞燈光、一塊中間帶有兩條整齊縫隙的不透明板,以及一個用來顯示的屏幕。
它們被放置在一條水平線上,科學家們只需要觀察光透過雙縫之后,在屏幕上顯示出的形狀便可以得出結論。
雙縫實驗裝置
如果屏幕上顯示出 兩條杠那就說明光是由粒子組成,如果 出現干涉條紋便證明光是由波構成。
結果這次實驗并沒能解決兩方的爭議,因為實驗過程竟然 出現了兩種不同的結果,攝像機中記錄的畫面和人們肉眼看到的有所差別。
這不禁讓科學家們感到恐怖,難道構成光的物質能夠感覺到自己被觀測?
雖然后來科學家用 光具有波粒二象性的結論解釋了這一現象,但該實驗還是對物理學界產生了很大的影響。
雙縫實驗的結果:光具有波粒二象性
量子糾纏
量子力學是個十分玄幻的理論, 幾乎沒有任何一個人能夠說自己懂得量子力學,即使是為量子力學做出過重要貢獻的科學家,也一直強調自己根本不了解真正的量子力學。
人們無法理解量子力學很大的一個原因就是它的「 不正常性」,它里面的許多理論都與人們日常理解中的概念完全不同,尤其是 量子糾纏現象。
量子糾纏是指當一對粒子被創造出來之后, 一旦確立了其中一個粒子的屬性,另外一個粒子的屬性也就會自動顯現出來。
舉個例子,一雙鞋子被分別放在宇宙的兩端, 只要確定其中一端的鞋子是左腳還是右腳,即使另一只鞋子遠在宇宙的另一端也馬上就能知道它的屬性。
量子糾纏現象認為無論事物處于多遠的距離,都可以被與之相關的事物性質推測出來。
玻爾和愛因斯坦的爭論
愛因斯坦雖然是 量子力學的主要奠基者,但他卻對該體系中的許多理論都不予認同,尤其是以 玻爾為首的 哥本哈根學派的理論。
愛因斯坦認為 物質的屬性是與生俱來的,它 始終存在于物質本身,不會隨著觀測而出現會改變。
可是玻爾卻提出 粒子在運動中是一種疊加態,當它被觀測時會出現某方面的坍塌,于是它的具體屬性就會在這個時候被確定下來。
大部分人都會認同愛因斯坦的觀點,畢竟按照玻爾所說, 世界上的一切事物都只是因為人的觀測才出現的,其實并不存在這樣的狀態,這確實讓人難以接受。
著名的 薛定諤的貓思想實驗,也被認為是對玻爾這一說法的最好反擊。
薛定諤提出如果將一只貓關在一個密閉的容器中,容器內裝有少量鐳和氰化物,鐳可能會發生衰變也可能不會衰變, 衰變貓就會死,不衰變貓就能存活。
按照玻爾的 粒子疊加態來解釋的話,容器中的鐳就是出于衰變和沒衰變兩種疊加態,那麼其中的貓也就是 既死又生的狀態。
這顯然是不可能存在的一種狀態,要想知道這一結果就得打開容器才能確定。
愛因斯坦也認同量子糾纏現象,但他認為 兩個糾纏量子之間的聯系是固有的。
這個相互聯系的物理量雖然沒有被探測到,但它一定是存在的,它也被愛因斯坦稱之為 隱變量。
當然玻爾并不這麼想,他覺得 兩個粒子之間的聯系是任意的,沒有一個固有的物理量也就是并不存在隱變量。
后來一位叫 約翰.斯圖爾特.貝爾的人站出來說出了他的想法,他 提出了一個不等式用來判定隱變量到底存不存在。
貝爾不等式判定
其實貝爾不等式就是 兩個機率問題,如果 等式的左邊小于等于右邊,則證明隱變量確實存在,愛因斯坦說得沒錯;如果 左邊大于右邊,則表示粒子之間并沒有固有的聯系,玻爾的判斷是正確的。
等式兩邊的機率是指從不同的角度觀察a、b兩個糾纏粒子時得到的統計結果。
實際上要進行這項判定也并不難,如果將a粒子看做是一個垂直向上的箭頭,b粒子是一個垂直向下的箭頭,想象它們之間 被一根鋼筋連接著。
那麼 只要找出它們之間是否真的有一根鋼筋存在,就能夠判斷隱變量是否真的存在。
因為如果這根鋼筋確實存在,那麼不管a箭頭怎麼移動,b箭頭也會跟著一起移動, 它們指向會永遠都是相反的。
如果鋼筋并不存在,那麼兩個箭頭的方向就可能會發生變化。
這個實驗其實很簡單,只是因為要 從不同的角度去觀測和記錄,所以需要搜集大量的信息和數據才能得出結論。
科學家們經過幾十年的不斷觀測和分析,最終得出了 粒子之間沒有隱變量的結論,這與玻爾的判斷相一致。
按照這個說法,那麼物質的狀態就只是存在于人類的觀測之中,實際上 所有的一切都處于疊加態之中。
我們所處的世界甚至宇宙難道都是不真實的嗎?
而且事物之間不具有必然聯系這一觀點,也讓 哲學上的聯系性受到了挑戰, 世界的真實存在性似乎就此被判決了。
事物只能通過觀測才能確定和存在的話,那麼我們的家人、朋友,宇宙中的太陽和月亮,難道也是因為被人們觀測到了才存在的嗎?
這樣一想未免也太過恐怖,雖說 世界的真實性從一直有被人們懷疑過,但最開始幾乎都是 唯心主義有這個觀點。
唯心主義認為 世界上的一切物質,都是由人類自身的想法創造出來的,其實本身并不存在。
當然這種觀點已經被 唯物主義懟得幾乎沒什麼立足之地了,畢竟唯物主義拿得出確實的證據證明,而唯心主義卻不行。
雖然哲學上說事物的本質是與生俱來的,早就已經被確定好了, 唯物主義也被人們認為是認識和改造世界的主心骨。
可是 量子力學的這些觀點仿佛正在一點點顛覆人類的固有認知,甚至量子力學中的理論也在 相互矛盾中發展。
它的玄幻之處也在這里,越是深入了解越是覺得自己搞不懂它的內在含義。
世界是否是真實存在這一問題,又被量子力學重新拉上了臺面,畢竟按照馬克思主義哲學來說 時間就是檢驗真理的唯一標準,那麼實驗得出的結論自然也無法被忽視掉。
可是如果像實驗結果所說 事物之間沒有固有的聯系,這又何嘗不是在與哲學觀點相矛盾呢?
物理學還有很多值得我們去探索
雖然量子力學有著諸多的爭議,但它確實是人類在物理學界的一大進步,科學家們也認為它才是人們未來探索宇宙的利器。
宇宙中的許多奇怪之處都無法用經典物理學理論來解釋,以后還不知道會遇到怎樣的情況和現象, 量子力學作為研究微觀粒子的主要理論,對物理學界有著十分重要的意義。