深度長文:如何理解量子世界的波粒二象性?萬物都是波?

量子力學誕生一百多年來,外界一直沒有停止過對它的質疑。質疑量子力學是很正常的現象,某種意義上來講,科學就是用來質疑的,尤其是量子力學這樣顛覆我們日常認識的科學!

深度長文:如何理解量子世界的波粒二象性?萬物都是波?

量子糾纏,量子隧穿,電子雙縫干涉,波粒二象性,以及量子力學的核心“不確定性”,可以說量子力學完全顛覆了我們所在的經典世界,甚至讓我們熟知的現實世界變得模糊,不確定。

在量子力學中,微觀粒子都具有波粒二象性,相信大家都知道。那麼該如何理解波粒二象性呢?一個微觀粒子怎麼可能同時具有粒子和波的特性呢?

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首先,什麼是粒子特性?

通俗來講,就是確定性。舉個例子,你此刻正在讀這篇文章,你就是在讀這篇文章(這不廢話嗎?),這是確定的。

什麼是波的特性,通俗來講,就是不確定的,只能用機率來描述。還用上面的例子,你在讀這篇文章,同時你也有可能在月球上漫步,還有可能在比鄰星上與外星人交流。也就是說你是不確定的,甚至可以同時身處兩個不同的地方。

下面正式開始,看看到底什麼是波粒二象性。

首先我們來看第一個實驗,我們都很熟悉的實驗:電子雙縫干涉實驗。

物理學家一個一個發射電子,電子透過雙縫後,落在雙縫後面的螢幕上。一開始我們會發現螢幕上出現的只有單個的條紋,這時候的電子錶現出來的就是粒子特性。

這很好理解,也符合我們在宏觀世界的認知。電子就像宏觀世界的玻璃球一樣,透過雙縫後自然會在螢幕上形成單個的條紋。

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但是,如果不斷地發射電子,多次重複下去,我們會發現單個的條紋逐漸變成了明暗相間的多個條紋,干涉條紋。很明顯,這時候的電子錶現出了波的特性。

單個的電子透過雙縫後為何會呈現干涉條紋呢?只有一種可能:單個電子“同時”通過了兩條狹縫,然後自己和自己發生了干涉。

這太違揹我們的日常認知了:單個電子怎麼可能同時透過兩條狹縫呢?

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如果想要理解詭異的量子世界,必須徹底放棄我們的日常認識,必須放棄常識性的東西。你或許會為“電子同時透過兩條狹縫”感到驚訝,但這僅僅是開始,讓你更驚訝的還在後面。

科學家們總是對違反常識的東西充滿好奇,與你我一樣,他們也想知道單個電子到底是如何同時透過狹縫的。

他們自然會想到在兩條狹縫附近安裝攝像頭,親眼看看到底電子是如何做到同時透過兩條狹縫的。結果不看不要緊,一看更懵圈了!

電子就好像能讀懂人類的思維一樣,好像知道有攝像頭正在觀測它,結果立刻恢復了粒子的特性,干涉條紋消失了。而拿走攝像頭之後,干涉條紋又出現了!

不得不說科學家們很聰明:如果說觀測行為可能會影響到電子的選擇,等到電子透過雙縫後再觀察總該行了吧?

這就是電子雙縫干涉延遲實驗。

結果更詭異的現象又出現了。即使科學家把攝像頭在電子透過雙縫後再進行觀察,電子仍舊乖乖地表現為粒子特性,干涉條紋同樣會消失。

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科學家們一臉懵逼:明明電子是先透過狹縫,然後科學家才進行的觀測。電子透過狹縫在前,觀測在後,後面的怎麼可能影響到前面的呢?

也就是說,結果怎麼可能影響到原因呢?如果是真的,顯然違反了因果律。科學家們打死也不會承認。

科學家們仍然不死心,他們又進行了更為縝密的實驗:量子擦除實驗。

這個實驗過程比較複雜,我儘量長話短說。通俗來講,就是利用光子的偏振性和量子糾纏原理,利用兩個處於糾纏態的光子(假設是A和B)進行實驗。一方面,科學家用光子B進行實驗,同時“偷偷地”觀察光子A,利用A和B的糾纏態神不知鬼不覺地獲取光子A的相關資訊。

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科學家之所以這樣做,就是為了避免觀測行為影響到光子A,所以採用了“間接觀測”的行為:只觀測光子B,利用光子A和光子B的糾纏態獲取A的資訊。

不得不佩服科學家們聰慧的大腦。但光子好像比科學家更聰明,好像早就識破了科學家們的一切“陰謀”:就算是科學家只觀測B,不觀測光子A,得到的結果仍舊沒有改變:只要一觀測光子B,光子A就會表現出粒子性,干涉條紋消失。否則就會表現出波的特定,出現干涉條紋。

是不是越看越懵逼了?甚至開始懷疑自己的智商了?

完全沒有必要!因為懵逼的不只是你我,連愛因斯坦這樣偉大的科學家也同樣會懵逼!

那麼該如何解釋微觀粒子的波粒二象性?如何解釋量子世界的詭異現象呢?

目前來看,以波爾為首的“哥本哈根派”提出的“不確定性原理”更被物理學界認可,該原理認為量子世界的一切都是不確定的,我們永遠無法同時觀測到一個粒子的位置和速度,只能用機率去描述。

同時,波爾也提出了“互補原理”,簡單講就是粒子的波動性和粒子性不會在同一次測量中出現,波動性和粒子性在同一時刻是互相排斥的,但在更高的層次又是統一的。

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專業點來說:不確定性從數學上描述了物質的波粒二象性,而互補原理更像是從哲學上解釋了波粒二象性。不確定性和互補原理是“哥本哈根學派”的兩大支柱。

德布羅意也提出了“物質波”概念,認為萬物皆波,包括我們每天看到的宏觀物體都具有波的特性,只不過由於質量太大,波的特性幾乎不可能體現出來,只能以我們看到的粒子特性顯現出來,所以我們會看到周圍的物體都是確定的!