「光」也是有生命的，牛頓理論被推翻！思維改變現實？顛覆科學界的雙縫實驗，意念集中和思維渙散有何不同？迄今最燒腦的一集⋯⋯| #未解之謎 扶搖 #神秘檔案

我是扶搖 歡迎和我一起探索未解之謎 今天我們要給大家介紹一個物理學中最詭異的實驗之一 雙縫干涉實驗 這個實驗其實很簡單 但是它卻可以顛覆您對宇宙 時空 世界的看法 可能不少理工科的觀眾朋友會說 誒 這個實驗高中課本裡就介紹過了呀 就是用來證明光既是粒子 又是一種波 具有波力二象性的一個實驗 這有什麼特別的呢 別急 咱們先把這個來龍去脈說清楚了 大家再做定論 來到物理學的世界 現代科學之父 英國的科學家牛頓 就是咱們不得不提的一個人物了 在《時間是幻覺》這期節目中 他就曾經隆重出場過 人類近代對於光學體系的研究 就是17世紀的時候由牛頓來建立的 牛頓為了研究光學可以說是不顧一切 他曾經連續多天用肉眼直視太陽 幹什麼呀 就是為了觀察人的視覺對於光的感應 牛頓甚至用一根針插入自己的眼睛裡壓迫眼球 以瞭解人的眼睛在感光中的作用 不過我們這裡提醒大家 大家可千萬不要模仿這種瘋狂的行為 牛頓在經過了大量的實驗之後 提出了他對於光的理解 也就是光是一種物質微粒 它總是以直線來傳播的 並且光會發生反射和折射現象 而同一時期 英國的另一位科學家胡克提出了另外一個理論 他認為光是一種波 光波理論還得到了荷蘭物理學家惠更斯的支持 牛頓和惠更斯這兩位科學泰斗 當時就對光究竟是粒子還是波這個事 還進行了一番辯論 但是他們誰也說服不了誰 牛頓在1704年出版了自己的著作《光學》 他用光的波動理論來解釋光的粒子性 而這個時候惠更斯已經去世很多年了 沒有了反駁的對手 再加上牛頓在物理世界的權威性 就讓光是粒子這個說法 在之後的一個世紀裡佔據了主導地位 直到有一個人的出現 英國的科學家託馬斯·楊是另一位天才 楊在13歲的時候 就已經可以閱讀希臘文、拉丁文、希伯來文、 意大利文以及法文的書籍了 14歲的他就到劍橋大學旁聽了 而第一天上希臘課的時候 不巧教課的這個教授遲到了 楊一看 哦 老師沒來啊 他這個時候很不見外的就走到講臺上去了 人家不是要做自我介紹 而是要直接給大家講起課來了 過了一會兒教授來了 不過教授沒有聲張 而是假裝自己是學生在一邊旁聽了一會兒 然後他對站在講臺上的楊還提了一些問題 最後教授對著全班的同學說 如果以後我遲到的話 就請楊先生先代替我上課吧 此外 楊還被認為是世界上最後一個什麼都知道的人 而我們今天要說的這個雙縫實驗的最初版本 就是由楊發明的 所以也叫楊式雙縫實驗 這個實驗具體說來很簡單 我們只是需要一個發光源 還有一個有兩條狹縫的不透明板 還有一個可探測光的探測屏就足夠了 如果說光是粒子 那麼大家可以想象光通過這個雙縫板之後 應該會在探測屏上出現兩道束線 對吧 那麼如果光是一種波呢 一般說來 那就會出現一個由多條束線組成的干涉波紋了 而實驗結果很多朋友都知道 探測屏上出現了干涉波 這就證明光是一種波 但是光的波粒性的爭論到這還沒完 因為辯論的雙方都遇到了一些沒法解釋的現象 最後這個謎團還是由科學界的更天才的人物 愛因斯坦給破解了 愛因斯坦藉由光電效應理論 證明瞭光的波粒二向性 也就是說光既是一種粒子 也是一種波 楊氏雙縫實驗採用的是光束 有很多的光子組成 為了更好地研究光子的特性 物理學家們開始對楊氏雙縫實驗進行改造 1909年的時候 英國的物理學家傑弗裡·泰勒爵士 就降低了實驗光束的強度 讓每次只有一個光子發出來 而一段時間之後再去看這個探測板 這個時候他赫然發現 在探測板上還是出現了干涉條紋 一個光子居然出現了干涉條紋 這意味著什麼呢 這就是說光子自己會和自己發生干涉 也就是說在這個實驗當中 一個光子很可能同時穿過了兩條縫 這是怎麼回事呢 難道說光子是孫悟空嗎 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 加上一個觀測儀器 看一看每一個光子到底是從左邊通過的 還是從右邊通過的 這個想法看似簡單 然而實驗結果卻是讓人驚掉了下巴 怎麼呢 原來人們發現實驗結果顯示 只要這個探測儀器一打開 光子就會老老實實地顯示出粒子性 也就是說 探測板上就只能看到兩條束線 兩條光紋 而一旦把這個觀測儀器給關閉的話 光子的波動性又出現了 探測板上干涉條紋又明晃晃地出現了 在觀測儀器打開和關閉的兩種情況下 光子呈現出了兩種不同的性質 難道說光子還可以分辨 觀測儀器的打開和關閉嗎 小小的光子長眼睛了嗎 而且啊 這個實驗還可以說是屢試不爽 說到這讓我想起了中學時代 當時在學校上晚自習的時候 只要老師不在 大家是看小說的 喫東西的 聊天的 什麼都有 但是老師一進門的時候 看到的全是埋頭苦學的好學生啊 因為早有眼尖的同學通風報信了 那麼回到這個改進版的雙縫實驗 難道不是說 光子小朋友們也能知道有沒有誰在觀察它 然後依此展現出自己的不同特性嗎 物理學家的性質就是被這個淘氣的光子給調動起來了 1979年的時候 美國的理論物理學家惠勒提出了一個思想實驗 叫惠勒延遲選擇實驗 這個實驗是雙縫實驗的一種變形 我們也來介紹一下實驗的器材 包括一個個發射光子的光源 兩塊一半透明 一半鍍銀的半反半透鏡 還有兩面反射鏡 還有兩個探測器 實驗人員會把光子發射到半反半透鏡的BSE上 會有50%的概率通過這個透明部分透射過去 還有另外50%的概率 是碰到了鍍銀的部分就會發生反射 光就又回去了 這個時候在AB兩處分別架設好兩面鏡子 使得光子用來全部反射 所以無論是透射還是反射 光子都會在C點交會 而在C點處會放置兩個探測器 這是用來查看光子究竟是通過了哪個路徑 是路徑AC還是路徑BC呢 實驗開始大家發現 每次發射完光子的時候 只有一個探測器可以探測到光子 這就是說明光子表現出的是粒子性 而粒子性就是小光子一次只走一條路 是老老實實的 好 現在開始加碼 如果我們在C點的兩個探測器之間 再放上一個半反半透鏡BS2 並調整BS2的這個角度 讓其中的一個方向 讓發射過來的光子的路徑被抵消掉 我們這裡先假設是A點過來的方向 我們就讓走AC路徑的光子的這個干涉波被抵消 這樣一來 探測器A就什麼都看不見了 而在這個時候 實驗人員忽然發現了 在探測器B上出現了干涉圖案 這是什麼意思呢 這就是說明光子又變成同時走了兩條路徑了 如果光走了兩條路徑 那麼就是呈現波動性了 就不是單單的走一條路的粒子性了 而現在的情況是 我們把A那邊的路徑給抵消了 光子一看 好呀 反正你現在也不知道我是從哪來的了 我自由了呀 所以它的波動性就又出來了 咱們剛剛不是說這個實驗叫做延遲選擇實驗嗎 延遲又是什麼意思呢 這個實驗的設計就在於第二塊半反半透鏡BS2 大家並不是一開始就把它放在那了 而是在大家已知光子通過了A點之後 再隨機放到那的 科學家們心裡正打著小算盤 光子你都走了一半了 我現在要隨機的突然間的不觀察你了 難道你還能突然由粒子性轉變成波動性嗎 而實驗結果如何 估計大家都已經猜到了 只要我們放置了第二塊半反半透鏡BS2 當光子發現自己的路徑不見了的時候 它就會從粒子性變成波動性 探測器B就會立馬出現干涉圖案 看到這大家是不是覺得挺燒腦的 其實也可以這麼理解 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 相當於是光子穿過了雙縫之後 再決定到底要不要打開這個觀察儀器 大家準備給光子來個措手不及 不過每次光子都可以迅速反應 及時調整 光子真的是躲貓貓的高手 實驗做了無數次 結果都是一樣的 估計科學家們的內心對這個也是很崩潰的 這個要是按照經典物理學根本沒法解釋 要麼說明光子有預見性 能夠預測到科學傢什麼時候要觀測它 什麼時候不觀測它 要麼是說明光子可以修改已經發生的事情 它們硬是改變了剛剛走過的路線 不管你什麼時候出手 只要它們一旦發現情況有變 就會趕快回到過去 重新走一遍 這樣看來似乎調皮的光子們 只要發現自己走的路徑被人家知道了 它們就會立即展現出粒子的特性 乖乖的一次只走一條路 否則就是波的特性 到處跑 科學家們也是鍥而不捨 為了驗證這一點 繼續改進雙縫實驗 他們設計出了量子擦除實驗 這又是什麼東西呢 簡單的來說 就是將已知的光子路徑變成未知 按照以前的經驗 一旦變成未知的光子 就應該呈現出波動性了 1982年 物理學者馬蘭史庫裏和凱德魯 最先提出了量子擦除實驗的想法 他們說 如果他們測得了粒子的路徑信息 那麼就觀察不到干涉圖樣 但是假設能夠用某種方法 擦除掉光子的路徑信息 那麼這個干涉圖樣又可以被觀察到了 波動性又出來了 科學家們隨後還設計出了 好多種粒子擦除實驗 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 那麼現在科學家們 就會使用四分之一波片 讓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 這個時候只要在探測板上 探測出光子的旋轉性 我們就知道它是從哪條縫過來的了 也就是說知道它的路徑了 而這樣做的時候 光子並不會發生干涉 而如果在探測瓶之前加上一個偏光鏡 讓所有的光子都改變成左旋或者右旋 這樣人們就無法分辨 這個光子到底是通過了哪一道縫 也就相當於是擦除了光子的路徑 光子一看 反正你也不知道我是從哪來的 好 這個時候 干涉條紋又回來了 波動性出來了 這還沒完 科學家們又和光子槓上了 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 首先 科學家們會找一對相互糾纏的光子A和B 然後讓A通過雙縫射向探測器A 不會對其進行觀察 而只會觀察光子B 因為這兩個光子是糾纏的 所以觀察其中的一個光子 相當於就等於也觀察了另外一個光子 而光子B 科學家們會讓它射向一塊偏光鏡 通過隨機調整偏光鏡的角度 從而時而保留了光子B的路徑 時而擦除了它的路徑 而結果發現 在光子B的路徑被擦除的時候 光子A會在一切條件不變的時候 對應的出現干涉 就是說A知道什麼時候你會擦掉路徑 而對應的顯示出自己的波動性 而這裡光子A和光子B的路徑 還不一定是一樣長的 什麼意思呢 我們以一個誇張的方式來打一個比方 比如說 光子A會在一納秒的時間之內 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 再抵達到探測器B 這個時候 回過頭來檢測光子A的情況 如果說這一年間 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 就好像是光子A在一年之前 就知道了光子B在此後一年的路徑 又好似是光子B在一年之後穿越回去 告訴光子A自己的路徑有沒有被暴露出來 怎麼樣 是不是很讓人震驚呢 丹麥的物理學家尼爾斯·波爾博士就說 如果你還沒有為量子理論感到震驚的話 你一定是還沒有理解它 如果我們把這個發生在量子世界的奇事 拿到宏觀世界來說 似乎就可以為似無命論提供一些依據了 也就是說 未來要發生的一切 也許在過去的某一點就已經全部定好了 而一切只是按照寫好的劇本在進行著 看似你的人生很長 但是可能在你出生的那一刻 就什麼都註定好了 但同時 光子隨著觀察而改變 又可以這麼理解 就是人的意識是可以影響到這個世界的 我們對於世界不同的觀察和回應 會影響到這個世界呈現給我們的樣子 也會在某種程度上改變著未來 中國古籍中記載了很多行善之人改變命運的故事 或許就是這個道理 科學家與量子的躲貓貓遊戲發展到這兒 其他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 雷丁在以加州為基地的思維科學研究所擔任首席科學家 在此之前 他曾經在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都工作過 雷丁在2012年發表的論文中 就介紹了自己的實驗過程 當時他找來了137名冥想者 有的人是擁有豐富的冥想經驗的 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 在他們調整了身心進入冥想狀態之後 雷丁向他們發出了指令 讓他們將自己的意念集中到雙縫干涉實驗的儀器上 保持15到30秒鐘 然後再下令轉移意念 這次實驗的結果非常讓人震驚 當冥想者將意念集中到雙縫干涉實驗上的時候 探測屏上的干涉圖案變淡了 表現光子粒子性的兩條束紋圖案變得更加清晰了 而當冥想者將意念移開的時候 這個清晰的干涉圖樣又出現了 而且冥想經驗豐富的那一組 實驗結果更明顯 干涉圖像消失的也就更多了 為了減少實驗的誤差 雷丁做了250次這樣的實驗 而結果都是一致的 在之後的改進實驗當中 雷丁還發現冥想者和雙縫實驗器材的遠近 對於實驗結果的影響並不大 而冥想者的經驗精神集中力纔是關鍵的因素 雷丁的研究成果說明瞭一個問題 就是至少在微觀世界 意識是可以改變物質世界的 這次的實驗結果十分具有轟動性 不過 或許是因為雷丁的結論太過挑戰唯物論了 或許是由於雷丁並不是物理學家科班出身的 況且現在超心理研究還沒能被廣泛接受 所以目前的科學界對於雷丁的實驗結果 依然是持有謹慎態度的 不過咱們還是那句老話 科學沒認識的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 同一件事情的出現 如果是以積極的態度來對待的話 事情就會往美好的方向發展 反之就會越來越糟糕 中國古老的智慧中就有 向由心生 盡隨心轉的說法 這也算是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 故事有些長 內容有些燒腦 謝謝大家一直堅持看到這 未解之謎 我是扶搖 我們下次見 我們會在這個頻道裡 分享很多的宇宙未解之謎 如果你喜歡我們的節目 歡迎點贊 訂閱和傳播 還有點開小鈴鐺 我們下次見