【未解之謎】顛覆認知的物理實驗

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【新唐人北京時間2021年12月21日訊】大家好,我是扶搖,歡迎和我一起探索未解之謎

今天要給大家介紹一個物理學中最具詭異的實驗之一——雙縫干涉實驗,它可以顛覆您對宇宙、時空、世界的看法。可能不少理工科的觀眾朋友會說,這個實驗高中課本裡就介紹過啊,就是用來證明了光具有波動性的一個實驗,有什麼特別的呢?別着急,等我把來龍去脈說清楚了,大家再做定論。

光的波粒之爭

來到物理學的世界,現代科學之父、英國科學家牛頓(Isaac Newton)就是不得不提的人物了。在《時間是幻覺?!》這期節目中他就曾隆重出場過。人類近代光學體系的研究是在17世紀由牛頓建立的。

牛頓為了研究光學,可以說不顧一切。他曾經連續多日用肉眼直視太陽,觀察人的視覺對光的感應。甚至用一根針插入自己的眼睛,壓迫眼球,以了解人眼在感光中的作用。這裡提醒一下,大家可千萬不要模仿這些瘋狂的行為啊。牛頓在經過大量的實驗之後,提出了他對光的理解,即光是一種物質微粒,總是以直線傳播,並會發生反射和折射的現象。

而同一時期,英國另一位科學家胡克(Robert Hooke)則提出了光是一種波的理論。光波理論得到了荷蘭物理學家惠更斯(Christiaan Huygens)的支持。

牛頓與惠更斯兩位科學家泰斗就光是粒子還是波進行了一場辯論,但是誰也說服不了誰。

牛頓在1704年出版著作《光學》(Opticks),用光的波動理論來解釋光的粒子性,而此時惠更斯早已去世多年。沒有了反駁的人,加上牛頓在物理學的權威性,因此光是粒子的說法,在之後的一個世紀都占主導地位。直到一個人出現了。

楊氏雙縫實驗

英國科學家托馬斯‧楊(Tomas Young)是一個天才性的人物,他十三歲時,就已能閱讀希臘文、拉丁文、希伯來文、意大利文與法文的書籍。十四歲時到劍橋大學旁聽,第一天上希臘課時,教課的教授遲到了,楊竟然自己站在講台上給大家上課。教授來了之後,假裝是學生旁聽了一會兒,然後對楊提問,最後教授對著全班同學說:「如果我以後遲到,就請楊先生先代替我上課。」楊也被稱為「世界上最後一個什麼都知道的人」。

而我們今天要說的雙縫實驗的最初版本,就是由楊發明的,也叫「楊氏雙縫實驗」。實驗具體說來很簡單,我們需要一個發光源,一個有兩條狹縫的不透明板,以及一個可探測光的探測屏。如果光是粒子,那麼大家可以想象出,光通過雙縫板之後,應該在探測屏上出現兩道豎線。那麼如果光是一種波呢?那麼就會出現多個豎線的干涉波紋。實驗結果大家都知道了,探測屏上出現了干涉波,證明光是一種波。

但是光的波、粒性的爭論還沒完,因為雙方都遇到無法解釋的現象。最後,這個謎團還是由科學界的天才人物愛因斯坦(Albert Einstein)給破解了。愛因斯坦借由光電效應理論,證明了光的波粒二象性,也就是說光既是一種粒子,也是一種波。

泰勒的雙縫實驗

「楊氏雙縫實驗」採用的是光束,由很多光子組成。為了更好的研究光子的特性,物理學家們開始對「楊氏雙縫實驗」進行改造。

1909年,英國物理學家傑弗里‧泰勒爵士(Geoffrey Taylor)降低實驗光束強度,使得每次只有一個光子發出,一段時間後再去看探測板,他赫然發現探測板上還是出現了干涉條紋。這意味着光子自己和自己發生了干涉,也就是說,一個光子很可能是同時穿過兩條縫。這怎麼回事?難道光子是孫悟空嗎?還會分身?

為了搞明白這個事,科學家們提出了一個想法。能不能在雙縫板與探測板之間加上觀測儀器,看看每一個光子到底是從左邊通過,還是右邊通過。這個想法是簡單直接,然而實驗結果卻是讓人驚掉下巴。

原來實驗結果顯示,只要觀測儀器打開,光子就老老實實的顯示出粒子性,也就是說,探測板上就只能看到兩條豎線。而一旦關閉觀測儀器,光子的波動性就出現了,干涉條紋又明晃晃地顯現在探測板上了。這個實驗可以說是屢試不爽。

說到這裡,讓我想起了中學在學校上晚自習的情景。只要老師不在,大家看小說的、吃東西的、聊天的什麼都有,但是老師一進門時,看到的全是埋頭苦學的好學生,因為早有眼尖的同學通風報信了。

那麼,回到這個改進版雙縫實驗,難道說光子能知道有沒有誰在觀察它,然後依此展現不同的特性嗎?

惠勒延遲選擇實驗

物理學家的興致被光子給調動起來了。1979年,美國理論物理學家惠勒(John Wheeler)提出了一個思想實驗,叫惠勒延遲選擇實驗(Wheeler’s delayed choice experiment)。這個實驗是雙縫實驗的一種變形。

光子發射到半反半透鏡BS1上,有50%的概率通過透明部分透射過去,還有50%的概率碰到鍍銀的部分,發生反射。這個時候,在A、B兩處架設好兩面鏡子,使得光子無論是透射還是反射,最終都會在C點交匯。在C處放置兩個探測器,這樣可以得知光子是通過了哪個路徑,是 A->C,還是B->C。此時,每次發射光子後,只有一個探測器可以探測到光子,也就是光子表現出粒子性,一次只走一條路。

現在開始加碼了,如果我們在C點的兩個探測器之前,再放一個半反半透鏡BS2,並調整BS2的角度,讓某一方向,我們這裡假設是A點過來的方向吧,讓走A->C路徑的光子的干涉波被抵消,這樣探測器A就什麼都看不見了。這時,科學家發現探測儀B上出現了干涉圖案。這說明光子同時通過了兩條路徑,波動性又出來了。

那麼這個實驗中的「延時」又是什麼意思呢?實驗設計,第二塊半反半透鏡BS2不是一開始就放置在那裡,而是在光子已通過A點之後再隨機設置上。科學家心裡打着小算盤:光子你都走了一半了,我突然不觀察你了,難道你還能突然由粒子性變成波性?

實驗結果如何,估計大家都已經猜到了。只要設置了第二塊半反半透鏡BS2,探測器B立馬出現干涉圖案。

看到這裡大家是不是覺得挺燒腦的?其實也可以這樣理解,在泰勒的雙縫實驗中,觀察儀器要麼是開的,要麼是關的。而惠勒的實驗,相當於,在光子穿過雙縫之後,再臨時決定開不開觀察儀器,準備給光子來個措手不及。不過,每次光子都能迅速反應,及時調整。光子真是躲貓貓高手啊!

實驗做了無數次,結果是一樣的。估計科學家此時內心是很崩潰的,這用經典物理學沒法解釋啊。要麼說明光子有預見性,能夠預測到科學家什麼時候要觀察它;要麼說明光子能夠逆轉已發生的事情——一旦發現情況有變,趕快回到過去,重新走一遍。

量子擦除實驗

這樣看來,似乎光子只要自己走的路徑被知道了,就會展現出粒子的特性,乖乖地一次走一條路,否則就是波的特性,到處跑。科學家為了驗證這一點,繼續改進雙縫實驗,設計出了「量子擦除實驗」。這又是什麼東西呢?簡單地說,將已知的光子路徑變成未知。

1982年,物理學者馬蘭・史庫理(Marlan Scully)與凱・德魯(Kai Drühl)最先提出量子擦除實驗的想法,他們表明,假設測得粒子的路徑信息,則觀察不到干涉圖樣,但是,假設能夠用某種方法擦除路徑信息,則干涉圖樣又可被觀察到。科學家們隨後設計出了多種「量子擦除實驗」,我們這裡僅挑一種方法來和大家說一說。

光子是會旋轉的,有左旋和右旋,現在實驗通過放置「四分之一玻片」(quarter-wave plate)使得從一個縫出來的光子都是左旋的,從另一個縫出來的光子都是右旋的,這時只要在探測板上探測出光子的旋轉性,就知道它是從哪條縫過來的,也就知道它的路徑了。這樣做時,光子不會發生干涉。而如果在探測屏之前加上一個偏光鏡,將所有的光子都改變成左旋或者右旋,這樣人們就無法得知到底哪個光子通過了哪條縫,也就相當於擦除了光子路徑,這時干涉條紋又回來了。

延遲選擇量子擦除實驗

這還沒完,科學家們是和光子槓上了,又設計出了「延遲選擇量子擦除實驗」。顧名思義,就是把我們前面介紹的「延遲實驗」和「量子擦除實驗」結合起來。

找一對相互糾纏的光子a和b,然後光子a通過雙縫射向探測器a,不對其進行觀察。只觀察光子b。因為這兩個光子是糾纏的,所以觀察一個光子,就等於也觀察了另一個。光子b則射向一塊偏光鏡,通過隨機調整偏光鏡的角度,從而時而保留光子b的路徑,時而擦除它的路徑。結果發現,光子b的路徑被擦除時,光子a在一切條件不變時,也會對應出現干涉。

而這裡光子a和光子b的路徑不一定是一樣長的。什麼意思呢?以誇張的方式打個比方,光子a在一納秒的時間就可以抵達探測器a,而實驗者可以通過儀器讓光子b經過一年的時間抵達探測器b,這個時候回過頭來檢測光子a的情況,如果這一年間光子b的路徑是不可知的,那麼光子a就會顯示出干涉。這就太奇怪了,就好像光子a在一年前就知道光子b之後一年的路徑。又好似光子b在一年後穿越回去告訴光子a自己的路徑有沒有暴露。

如果把這個發生在量子世界的奇事拿到宏觀世界來說,似乎可以為宿命論提供一些依據,也就是未來要發生的一切,也許在過去的某一點早就全部定好了,一切只是按照寫好的劇本在進行着。看似你的人生很長,但是可能在你出生那一刻什麼都注定好了。

但同時,光子隨觀察而改變又可以這樣理解,就是人的意識是可以影響到這個世界的,我們對世界不同的觀察和回應,能影響這個世界呈現給我們的樣子,也在某種程度上改變着未來。中國古籍中記載了很多行善之人改變命運的故事,或許就是這樣的。

超心理學的雙縫實驗

科學家與量子的躲貓貓遊戲發展到這裡,其它領域的科學家也來湊熱鬧了。這次出馬的是超心理學家迪恩‧雷丁博士(Dean Radin)。雷丁在以加州為基地的思維科學研究所(IONS)擔任首席科學家,在此之前,他曾在AT&T貝爾實驗室、普林斯頓大學、愛丁堡大學和國際斯坦福研究所(SRI International)任職。

雷丁在2012年發表的論文中描述了自己的實驗過程。他找來了137名冥想者,有的人擁有豐富的冥想經驗,善於控制自己的意念,而有的人則是偶爾冥想的人,雷丁將他們分成兩組。在他們調整身心進入冥想之後,雷丁向他們發出指令,讓他們將自己的意念集中到雙縫干涉實驗儀器上,保持15-30秒,然後再下令轉移意念。

實驗結果令人震驚。當冥想者將意念集中到雙縫干涉實驗上時,探測屏上的干涉圖像變淡了,表現光子粒子性的兩條豎紋圖案變得更加清晰。而當冥想者將意念移開時,清晰的干涉圖像又出現了。而且,冥想經驗豐富的那一組,實驗結果更明顯,干涉圖像消失得更多。為了減少實驗誤差,雷丁做了250次這樣的實驗,結果是一致的。

在之後的改進實驗中,雷丁還發現,冥想者與雙縫實驗器材的遠近對實驗結果影響不大,冥想者的經驗、精神集中力等才是關鍵因素。雷丁的研究成果說明,至少在微觀世界,意識是可以改變物質世界的。這麼轟動性的事情,怎麼大家好像都沒怎麼聽說過,為什麼呢?或許是因為雷丁的結論太過挑戰唯物論,或許由於雷丁不是物理學家科班出生,且超心理研究還未能被廣泛接受,所以目前科學界對雷丁的實驗結果持謹慎態度。

不過,咱們還是那句老話,科學沒認識和接受的,並不代表不存在,或許只能說明科學還不夠發達。就日常生活來說,可能很多人都發現了,同樣一件事情的出現,如果以積極的態度對待,事情就會往美好的方向發展,反之則會越來越糟糕。中國古老的智慧中就有「相由心生,境隨心轉」的說法,這也算「意識改變物質世界」的一種展現吧。

好了,今天就和大家分享到這裡。故事有些長,謝謝大家一直堅持看到這裡,未解之謎,我是扶搖,我們下期再見啦。

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未解之謎】節目組製作

(責任編輯:李紅)

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