量子力學篇 【量子力學篇-04期】單光子真的會自己和自己干涉？

物理學是一門看破紅塵的科學 每一次科學革命都伴隨着思想的巨大顛覆 其中最具代表性的莫過於相對論和量子力學 相對論顛覆了人們的絕對時空觀 它似乎違反常識 但在嚴謹的數學邏輯和優美的理論形式中 卻又是水到渠成 只要你理解了它背後的邏輯 就不得不相信它 而量子力學中出現的一些新思想 是如此的不可思議 顛倒乾坤 以至於讓人從感情上都無法接受 在對光的本性是波還是粒子的研究中 所揭示出來的微觀粒子的運動規律 徹底挑戰了人類智慧對新事物的接受能力 它前所未有的怪誕 以至於一些最頂尖的物理學家 終其一生都無法接受它 它究竟怪在哪兒? 今天我們要講的不再是量子史化 而是一個非常簡單 但同時又包含了量子世界中 一切關鍵原理的現象 光的干涉 上一期有講到 19世紀初 英國有個叫做托馬斯·楊的醫生 做了一個非常著名的實驗 楊氏雙縫干涉實驗 實驗發現 一束經過兩個狹縫的光 在到達後方屏幕時 會出現一條條整齊的明暗相間的條紋 這分明就是波的干涉現象 以水波爲例 一個水波通過兩個孔出來時 就會在水面上形成兩個振幅和頻率 完全相同的水波 波都有波峯和波谷 當兩個波的波峯或者波谷疊加時 就會加強爲雙倍振幅 這就是相常干涉 當波峯和波谷相遇時 就正好互相抵消爲零 這就是相消干涉 光波也是如此 屏幕上的亮紋 就是兩個波在疊加後加強了 暗的地方就是兩個波互相抵消了 到這裏 一切都非常完美 結合光的波長 以及屏幕到雙縫的距離 用電磁波的波動方程算一下 實驗中看到的條紋寬度 間距 以及個數都和計算出來的結果完全一致 所以 光 怎麼可能不是波呢 但是 這個實驗的背後 卻隱藏着一個驚天大炸雷 當我們減弱光源時 例如在傳播路徑上加一片墨鏡 後方屏幕上的條紋就會變暗 當然這沒什麼好奇怪的 按照這個規律 隨着光源逐漸減弱 我們期望的是 屏幕上的條紋也應該逐漸變暗 直到完全消失 這是遊波的性質所決定 因爲波的能量是彌散在空間中的 是連續分佈的 然而 實驗結果並非如此 實驗物理學家們有辦法可以讓光源變得非常非常暗 當光源暗到一定程度時 屏幕上的條紋並非是整個直接消失 而是變成了一個一個不連續的光點 就好像此時的光源 變成了一把特殊的衝鋒槍 只不過這把槍打出來的 並不是一個一個的子彈 而是一個一個的光子 這顯然不可能是波的性質 波總是分佈在空間的一個連續場 怎麼會是一個個的出現呢 這麼看來 光的本質又不可能是波 而應該是粒子 難道電磁理論錯了嗎 先別急 我們繼續拿實驗說話 我們通過延長屏幕的曝光時間 依次記錄每一個打在屏幕上的光點位置 如果光源發出的 是一個一個像子彈一樣的光子 那屏幕上 應該只會出現兩條明亮的條紋 這個沒錯吧 但是 詭異的現象出現了 一開始 這些光子的落點看似毫無規律 但隨着光點的逐漸積累 最終屏幕上卻形成了一排規律的 明暗相間的條紋 這顯然就是波的干涉條紋 怎麼會這樣呢 光子在單獨行動時 明明就像是子彈一樣 是一粒一粒的 但是當大量的光子的路徑積累起來 卻能形成像波一樣的干涉圖樣 所以 光 到底是粒子還是波 如果光是波 那屏幕上 爲什麼會出現一個一個的光點 而如果它是粒子 那干涉圖樣又是怎麼一回事 會不會是因爲光子與光子之間的相互干擾 導致了干涉條紋的產生 不對 因爲實驗中的光子 是一個一個打過去的 不會同時有兩個光子出現 那會不會是光子分裂成了更小的光子 然後各自從兩個縫穿過去再重組 也不對 因爲實驗中從來就沒有觀察到過 所謂的光子碎片 它總是一整個的出現在某一個位置 更何況 愛因斯坦早就說過 光子是能量吸收和發射的最小單位 不可再分 難道光子能同時穿過兩個縫隙 然後自己與自己發生干涉 按照福爾摩斯的那句名言 排除一切不可能 剩下的就是答案 於是我們現在被迫接受一個這樣的事實 光子在傳播過程中 表現的就像是一個波 它可以同時穿過兩條縫隙 然後自己跟自己疊加 從而發生干涉 而當我們需要確認它在屏幕上的位置時 它又表現得像是一個粒子 一個一個獨立地出現在某一個特定的位置 對於這種有時候像是一個波 有時候又像一個粒子的現象 在量子力學的早期 被稱爲波力二向性 那光子到底是如何從兩條縫穿過去的呢 爲了驗證這個問題 物理學家們做了進一步的干涉實驗 他們在兩個雙縫處各放置了一個探測器 以嘗試直接將光子在空間中的實際路徑給找出來 顯然 可以預料的是 對於任何一個光子來說 最後的結果只有可能是以下四種中的一種 一 我們看到光子從第一個縫隙經過 二 我們看到光子從第二個縫隙經過 三 我們看到光子同時從兩個縫隙經過 四 我們在兩個縫隙中都沒有看到光子 其中 如果我們看到了第四種情況 說明光子根本就沒有穿過縫隙 它被牆壁擋住了 因此就不會在屏幕上留下光斑 這種情況對我們的干涉實驗毫無用處 因此我們不予考慮 對於剩下的三種結果 實驗中從來就沒有看到過第三種情況 也就是說 光子要麼走左邊的縫 要麼走右邊的縫 而不會同時出現在兩個縫 到這裏 我們似乎摸清楚了光子的路徑 然而 還沒來得及慶祝 最令人迷惑的現象出現了 當我們架設好觀測器 試圖監控光子從哪一個縫隙穿過時 干涉條紋卻神祕地消失了 甚至於 我們並不需要真的偷窺到光子的路徑 只要我們的實驗方法 讓光子的路徑信息有一丁點泄露的可能 光子的干涉就會整個完全消失 人爲觀察竟然能決定客觀的實驗結果 這個結論讓物理學家們感到頭皮發麻 但進一步細想 這個結果其實也並不奇怪 要想得到干涉條紋 就必須要求光子能同時經過兩條縫 然後自己與自己發生干涉 所以 當我們確知了它實際到底走了哪一條縫隙時 干涉就不可避免地會消失掉 也就是說 干涉條紋和路徑信息必然是一個互斥的關係 道理大家都懂 但是 爲什麼我們的觀察會改變實驗結果 難道實際結果不應該是光子自己 展現給我們看的嗎 光子是如何知道我們在試圖觀察它的呢 到這裏 物理科學似乎已經向着玄學的方向發展 直到薛定諤方程的出現 人們發現 這一切都可以由波函數所精確描述 光子其實並不知道我們在觀察它 而是因爲我們的測量導致了波函數坍縮 關於波函數的細節 咱們後面會講到 這裏只是先拿來簡單解釋下干涉實驗 根據波函數的主流解釋 雙縫干涉中所涉及到的波 其實並不是什麼實際的物理上的波 而是一種抽象的概率波 而光子在屏幕上落點的概率 由概率波的干涉結果所決定 你可能會驚訝 這個概率波也能發生干涉 沒錯 科學家根據波動方程 計算出了一個概率波的傳播過程 這是一個光子的概率波的波包 圖中的亮斑顯示的並不是光子的實際形態 而是它在空間中的概率分佈 越亮的位置 光子出現的概率就越大 而黑暗的部分 則代表光子不可能出現在那裏 我們可以清楚地看到 這個概率波是如何同時穿過兩條縫隙 在不同的位置形成不同的概率分佈的過程 那這個概率到底又是什麼? 按照經典概率論的詮釋 概率描述了我們對於某個事件的無知度 也就是說 在某個時刻 光子應該存在着一個真實的位置 只不過波函數 只能告訴我們它的大概位置而已 但是注意 如果光子真的存在一個確定位置的話 我們就不可能獲得干涉結論 因爲要麼穿過一個縫隙 要麼穿過另一個縫隙的說法本身 就已經使得干涉成爲不可能 干涉的條件要求光子必須能夠像波一樣 同時處於空間的各個位置 所以 前面的這種經典概率詮釋 並不能用來解釋光子的行爲 於是 我們不得不得到這樣的結論 在我們不觀察光子時 它沒有位置 它不存在於空間中的任何一個地方 但同時又必須處於空間中的任何一個地方 只有在我們觀察它時 它才隨機地根據概率分佈 從空間中選取一個位置出現 這種隨機性是真正的隨機 而不是經典概率中的那種確定的 但是我們不知道的狀態 這一點非常重要 這個解釋看起來是如此的荒謬 但卻是最接近數學方程的解釋 難怪當年愛因斯坦中期一生 都反對這樣的說法 因爲它直接撼動了這個世界的客觀實在性 以及關於哲學決定論的根基 事實上 令人匪夷所思的現象遠不止這些 就比如這個干涉實驗 後來還出現了很多更加精妙的升級版 比如延遲選擇干涉實驗 量子擦除實驗等等 它揭示了波函數 甚至存在跨越時空的感知 而且不只是光子 構成我們世界的一切粒子 甚至是宏觀物體 包括你和我 以及我們每個人 理論上都能拿來做一個干涉實驗 量子力學讓我們有幸窺探到了 微觀世界裏的各種怪異現象 一些物理學家們雖然無法接受 但他們反對的 其實只是觀點和思想 而從來都不是事實和邏輯 人類的大腦天生就沒有義務 用來理解微觀世界 又或許 微觀世界裏那些怪異的現象纔是正常的 而我們在日常生活裏的一切感知 纔是大尺度下 所帶來的一種錯覺 由 Amara.org 社群提供的字幕