科技改變生活 · 科技引領(lǐng)未來(lái)
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結(jié)果先于意識(shí)，還是意識(shí)先于結(jié)果？
以人類(lèi)常規(guī)的思考邏輯來(lái)看，我們一定會(huì)不假思索地回答道是意識(shí)存在影響了結(jié)果本身。
可事實(shí)真的是這樣嗎？
量子領(lǐng)域的假想
如果現(xiàn)在要說(shuō)所有的結(jié)果都是注定選擇好的，無(wú)論我們的意識(shí)如何，選擇怎樣，最終的結(jié)果都已經(jīng)定好了，人們會(huì)怎么想呢？
現(xiàn)代物理學(xué)中很少有科學(xué)實(shí)驗(yàn)像雙縫實(shí)驗(yàn)這樣離譜，它向物理界傳達(dá)的一個(gè)最直接的信息便是：
光和物質(zhì)既可以作為波，也可以作為離散的粒子，這取決于它們是否被觀察到。
盡管如此，雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果仍是量子力學(xué)的一大謎團(tuán)。
雙縫干涉下的光線(xiàn)圖案
為了方便理解雙縫實(shí)驗(yàn)證明了什么，我們得從量子力學(xué)中去尋找答案。
1925年，維爾納·海森堡給馬克斯·博恩提交了一份論文回顧，這份論文展示了如何測(cè)量亞原子粒子的屬性，例如它們的位置、動(dòng)量和能量。
維爾納·海森堡與他的物理學(xué)
博恩表示這可以通過(guò)數(shù)學(xué)矩陣來(lái)表達(dá)，單個(gè)粒子有明確的凸形和描述，這為后來(lái)的量子力學(xué)矩陣描述奠定了基礎(chǔ)。
同時(shí)期內(nèi)，薛定諤發(fā)表了他對(duì)量子力學(xué)的波動(dòng)理論，在他的理論中，粒子的定義可以是波形的方程。
也就是說(shuō)，粒子其實(shí)是波。
科學(xué)家對(duì)量子力學(xué)的進(jìn)一步研究產(chǎn)生了“波粒二象性”的概念，這也是量子力學(xué)的定義特征之一。
根據(jù)此概念，亞原子實(shí)體可以被描述為波和粒子，但這取決于觀察者如何測(cè)量它們。
量子粒子與自身的干涉
量子力學(xué)在普朗克、愛(ài)因斯坦、玻爾、德布羅意、薛定諤等人的工作下，當(dāng)前的科學(xué)理論都認(rèn)為所有粒子都表現(xiàn)出了波動(dòng)性，反之亦然。
另外波動(dòng)性的表現(xiàn)不僅在基本粒子方面得到了驗(yàn)證，即便是原子甚至分子更大維度的復(fù)合粒子上也得到了驗(yàn)證。
然而在宏觀粒子中，由于波長(zhǎng)太短，通常無(wú)法通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)波的特性。
雙縫實(shí)驗(yàn)下的粒子
觀察者決定量子實(shí)體如何顯現(xiàn)，如果我們?cè)噲D測(cè)量一個(gè)粒子的位置，那么測(cè)量該粒子的位置時(shí)，它便不再是波。
但如果去試圖定義它的動(dòng)量，人們又會(huì)發(fā)現(xiàn)它的行為和波一樣。
除了它存在于該波中任何給定的概率外，科學(xué)家無(wú)法確定它的位置。
本質(zhì)來(lái)看，將其作為粒子或波來(lái)測(cè)量，決定了它會(huì)以什么形式出現(xiàn)，而雙縫實(shí)驗(yàn)正是證明這種波粒二象性最簡(jiǎn)單的例子。
由單一波長(zhǎng)的光產(chǎn)生的干涉圖案
值得一提的是，雙縫實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于科學(xué)家們?cè)?0世紀(jì)對(duì)量子力學(xué)的描述。
自英國(guó)科學(xué)家托馬斯·楊在1801年首次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)困科學(xué)家200多年。
楊的實(shí)驗(yàn)讓他發(fā)現(xiàn)，光會(huì)像波一樣出現(xiàn)。
如果我們用兩個(gè)平行的狹縫在墻上照射一束光時(shí)，假設(shè)光束只有一個(gè)波長(zhǎng)。
當(dāng)光線(xiàn)穿過(guò)狹縫時(shí)，每個(gè)狹縫都會(huì)出現(xiàn)新的光源并在分隔后的另一側(cè)出現(xiàn)。
來(lái)自每個(gè)狹縫的光會(huì)出現(xiàn)衍射，并于來(lái)自另一個(gè)狹縫的光進(jìn)行重疊且相互干擾。
托馬斯·楊的畫(huà)像
任何波都可以產(chǎn)生干涉圖案，無(wú)論是聲波、光波還是穿過(guò)水體的波。
當(dāng)波峰在波谷發(fā)生撞擊時(shí)，它們彼此會(huì)抵消，這被稱(chēng)作相消干涉，并會(huì)顯示出暗帶。
當(dāng)波峰撞擊波峰時(shí)，它們則會(huì)相互放大。
這被稱(chēng)作相長(zhǎng)干涉，并會(huì)顯示出亮帶。
亮帶與暗帶的組合便被稱(chēng)為“干涉圖案”，這可以在狹縫對(duì)面的墻壁或是屏幕中看到。
對(duì)于光子或電子這樣的量子實(shí)體，它們雖然也是單個(gè)粒子，但如果將它們通過(guò)雙縫射出一個(gè)光子時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢?
光子在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的條紋干涉圖案表明，單個(gè)光子的行為就像通過(guò)了兩個(gè)縫隙一樣，這使它的表現(xiàn)是一個(gè)波。
平面波的雙縫衍射圖案
如果在狹縫前設(shè)置一個(gè)檢測(cè)器，它可以觀察光子并在檢測(cè)光子通過(guò)時(shí)亮起，檢測(cè)器會(huì)在檢測(cè)時(shí)有50%的時(shí)間點(diǎn)亮。
此時(shí)屏幕上留下的圖案會(huì)發(fā)生變化，它看上去就像兩道光杠。
如果在墻后面設(shè)置探測(cè)器，旨在光子穿過(guò)狹縫后才進(jìn)行檢測(cè)，便會(huì)得到相同的結(jié)果。
這意味著即使光子會(huì)以波的形式通過(guò)兩個(gè)縫隙，一旦被檢測(cè)到，它就不再是波而是粒子狀態(tài)。
粒子撞擊使波的干涉圖案可見(jiàn)
不僅如此，從另一個(gè)縫隙出現(xiàn)的第二波也會(huì)坍縮回去，通過(guò)另一個(gè)縫隙檢測(cè)到粒子。
相關(guān)的實(shí)踐表明，通過(guò)雙縫隙射出的單個(gè)光子越多，探測(cè)器在50%的時(shí)間里越接近探測(cè)到光子。
這就好比拋硬幣會(huì)隨著拋投次數(shù)越多，正反面的概率會(huì)越接近50%。
這似乎說(shuō)明，宇宙以某種方式同樣在觀察實(shí)驗(yàn)者，雙縫中的實(shí)體量子態(tài)也受概率定律支配，因此科學(xué)家們無(wú)法確定一個(gè)物體的量子態(tài)是什么。
檢測(cè)器的時(shí)間50%圖案看起來(lái)會(huì)像這樣
顯然，波和粒子產(chǎn)生了截然不同的模式，它們本應(yīng)該很容易地被區(qū)分。
可一旦進(jìn)入量子力學(xué)領(lǐng)域，事情便會(huì)出現(xiàn)這種詭異的情況。
原子尺度上，如果我們進(jìn)行單縫實(shí)驗(yàn)，并將光子發(fā)射到傳感器屏幕上。
光子會(huì)在屏幕上顯示為一個(gè)點(diǎn)，這時(shí)我們可以認(rèn)為光子是粒子。
粒子的最終位置會(huì)大致相同
可一旦打開(kāi)兩個(gè)狹縫，就會(huì)出現(xiàn)干涉。
如果單個(gè)地發(fā)射光子，如果它們沒(méi)有機(jī)會(huì)互相干擾，那它們會(huì)表現(xiàn)得像粒子還是波呢？
這便是雙縫實(shí)驗(yàn)最恐怖的地方，起初光子會(huì)以隨機(jī)散射的方式出現(xiàn)在屏幕上。
但隨著光子越來(lái)越多，干涉圖案開(kāi)始出現(xiàn)，每個(gè)光子本身都會(huì)對(duì)整體波狀造成影響。
按理來(lái)講，一次發(fā)射一個(gè)光子，它們之間不應(yīng)該出現(xiàn)干涉才對(duì)。
一次性發(fā)射和單個(gè)發(fā)射結(jié)果一樣
縫隙、光子、探測(cè)器都是相同的情況下，探測(cè)器關(guān)閉后，粒子狀圖案便不會(huì)出現(xiàn)。
此時(shí)，粒子的表現(xiàn)會(huì)再次在屏幕上形成波狀的干涉圖案。
當(dāng)我們不去觀測(cè)它的時(shí)候，它是波，當(dāng)我們觀測(cè)它的時(shí)候，它是粒子。
不去觀測(cè)它，粒子就是正常的
光子似乎知道它們處于波態(tài)中會(huì)去向哪里，就像影院中觀眾沒(méi)有分配座位就出現(xiàn)了，但每個(gè)人卻又知道自己該坐哪里。
粒子的所有可能路徑都可以相互干擾，即使實(shí)際存在的路徑只有一條，所有現(xiàn)實(shí)同時(shí)存在，直到最終結(jié)果出現(xiàn)。（這類(lèi)似于疊加態(tài)概念）
雙縫實(shí)驗(yàn)在哥本哈根解釋中，玻爾和海森堡為其提供了一種看法。
但兩人關(guān)于量子力學(xué)的看法并不統(tǒng)一，玻爾提供了一種獨(dú)立于主觀觀察者或測(cè)量的解釋崩潰，它依賴(lài)于一個(gè)“不可逆”過(guò)程，并可能發(fā)生在量子系統(tǒng)中。
海森堡則強(qiáng)調(diào)觀察者和被觀察者之間的“切割”，兩者無(wú)法真正觀測(cè)到彼此。
另一個(gè)重要問(wèn)題便是波粒二象性，兩人的看法在實(shí)驗(yàn)本身和數(shù)學(xué)定義種出現(xiàn)了分歧。
哥本哈根解釋否認(rèn)了波函數(shù)提供了普通物質(zhì)體的直接可理解的圖像，或某些此類(lèi)物質(zhì)的可辯別成分。
從波函數(shù)來(lái)看，它是一個(gè)數(shù)學(xué)實(shí)體，它為系統(tǒng)上每個(gè)可能測(cè)量的結(jié)果提供概率分布。
而量子態(tài)的知識(shí)還有系統(tǒng)隨時(shí)間演化的規(guī)則，含進(jìn)了所有可預(yù)測(cè)的系統(tǒng)行為。
答案究竟會(huì)是什么？
也就是說(shuō)，觀測(cè)和測(cè)量物體的行為不可逆，除非根據(jù)物體的測(cè)量結(jié)果，否則不能將任何真理歸因于物體。
雙縫實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)和結(jié)果可以同時(shí)存在，觀測(cè)本身就會(huì)導(dǎo)致粒子發(fā)生變化，從而影響結(jié)果。
換位到哲學(xué)中，選擇意識(shí)是否還具備重要性，結(jié)果是否重要。
如果說(shuō)意識(shí)會(huì)影響結(jié)果，可結(jié)果在一開(kāi)始就被定下，那選擇是否還有意義？這便是量子力學(xué)在今天給人們帶來(lái)的思考。
王俊林