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比双缝实验更恐怖, 贝尔不等式检测, 世界真实存在性迎来终极判决

时间:2022-06-09 16:28栏目:联系我们 点击: 92 次

如何确定事物的真实性?物理学中将这样的研究问题放到了物质运动本身上去研究,我们所有一切感知到的现象都是这个世界的真实运作表现。

无论是听到的声音,还是看见的光线变化,这些都是能够从事物最基本的粒子运动方面进行解释。当量子力学发展后,物理研究却在事物的真实性上犯了难,这是为什么?

物质的运动确定事物的真相?

量子力学中的双缝实验向人们展示了粒子的叠加态,双缝实验的结果令科学家大吃一惊,事物的运动状态居然是观察之后才有的。

随后几十年的发展中,贝尔不等式的出现又将量子力学推向了新的研究中,甚至体现在哲学命题里,即何为自由意志。

量子力学中的双缝实验

双缝干涉实验是什么?它揭示了何种物理现象?为什么“双缝实验”让科学家们感到震惊?贝尔不等式又是什么?本文接下来将从双缝实验、量子力学、贝尔不等式这几个方面去解答这些问题,比双缝实验更恐怖的是贝尔不等式检测,为什么对世界真实存在性进行了终极判决?

双缝干涉

我们先来聊聊双缝实验,这是一种展示光子或电子等微观物体波动性与粒子性的实验。实验准备非常简单,只要一块带有双缝的不透明板和能够发出光束的设备,然后将光束射向这块双缝板,就能看到穿过缝隙后的光线。(缝隙只有0.7毫米)

双缝实验的设备

按照经典物理体系下的假设,如果光束是由经典粒子组成,那么光束在照射进细缝后,经过细缝后的光束会冲击探测屏。然后通过观察,应该就能看到与缝隙形状与之相对应的光斑图。

但事实上并不是这样,光束在穿过缝隙后并没有形成完整的对应图形,而是出现了两倍光强度的图像,并且还出现了许多小的干涉条纹。为了阐述这种现象,科学家认为亮度的变化可以用波的相长干涉与相消干涉两种机制来解释,这意味着光是一种振动波。

双缝实验打开了新世界

不过到了20世纪,光电效应的理论突破给光的物理行为带来了另一种解释,即光是一种粒子,光的行为实际上就是粒子的行为。但科学界那时认为粒子和波的行为应该是有所区别的。

那么光到底是波还是粒子呢?

为了更好地解答这个问题,科学家设计了一种更为精妙的双缝干涉实验。他们将光束缩减至最小,然后极大地降低光子的活动和数量,这样光子就可以一个一个地通过缝隙,按照平时的想象,如果是单独的光子总不至于出现被干涉的情况吧。

然而实验结果再次让科学家们大吃一惊,虽然每次只有一个光子通过缝隙,但是这些光子可以同时通过两条缝隙,并出现单独的光子自己干涉自己的行为。

科学家在后来的研究中发现,量子力学可以精确地预测粒子抵达探测屏的任意位置的概率密度,但是无法预测在什么时候,哪个位置会有粒子到达。

一个光子能通过两条缝隙

这意味着粒子的抵达事件是不可知的,物理学家不愿意接受这个事实,同时科学家也在思考为什么一个粒子能够同时经过两条缝隙。对此实验又进行了一次升级,科学家准备直接对通过缝隙的光子进行观察,来看一看光子到底出现了怎么样的变化。结果恐怖的事情出现了,如果进行直接观察,光子的这种问题消失了,光斑也变成了简单的光线。为什么会这样?

叠加态和不可预知

量子力学解释为这是粒子的叠加态和测量所导致的坍塌,简单地来解释就是,粒子在进行观察之前存在各种方向的运动状态。当观察者进行观察时,原本的测量也导致了粒子运动的坍塌,这种运动状态就被确定了。这在后来也被称作为“测不准原理”。

海森堡的测不准原理

当时科学界有两位物理明星,一个是爱因斯坦,一个是玻尔。爱因斯坦认为这不符合物理逻辑,同时也证明了量子力学并不完美,它不能很好地解释粒子的运动。

但玻尔却认为量子力学不会用不恰当的经典概念来解释这种现象,量子力学会寻找新的概念来解释这些问题。爱因斯坦认为要解释这个现象应该存在一个局部隐变量的问题,这种隐变量干涉整个过程,导致结果出现改变。

一个是爱因斯坦,一个是玻尔都是物理界的天才

之所以爱因斯坦和玻尔会出现这样的争执,是因为在爱因斯坦的研究中,他认为物质的属性是事先就确定好的,和观测没有关系。而玻尔认为物质的属性并不是事先确定的,只有当人们进行观察时才会进行确定。

与观察是否有关呢

局部隐变量正是爱因斯坦对自己的定域性假设做出的一种完善,不少科学家都认为一个物理理论对事物本质的描述是完备的,因此物理现象的每个要素都存在相应的对应量,这也是爱因斯坦认为量子力学并不完善的一个地方。

而到了量子力学研究的中期阶段,量子纠缠的发现更是让爱因斯坦对量子力学感到不可理喻,由此批判了以玻尔为代表的量子力学研究人物。定域论只允许某个区域的事件不超过光速运动进行传递,然而量子纠缠却不遵循这种原理。

爱因斯坦把量子纠缠称为“鬼魅”一样的超远距离作用

一直到爱因斯坦去世后,量子力学的这个问题仍然没有得到很好的应验解答,直到贝尔将自己的局部隐变量公式公布出来,也就是贝尔公式。

结果是否存在,世界是否真实?

爱因斯坦和玻尔的争论可以理解为“出生确定”和“观测确定”,在贝尔对量子纠缠进行了更深入的分析后,他推断测量结果取决于每一半内隐藏变量的假设,局部隐变量模型可以重现量子力学的预测。但之后他证明这不能普遍成立,这便是后来的贝尔公式。

贝尔公式

换句话说,贝尔证明了定域性和隐变量不相容。如果一个隐变量定理是正确的,那么一定出现一个满足物理现象,一个会限制物理现象。如果该不等式给出的这个限制不满足,那么就不存在正确的隐变量。

贝尔

另一方面来看,量子力学和贝尔公式颠覆了人们寻常的认知,结果先于原因,并没有所谓的预测,一切的结果只是人们的观察所导致,世界的真实存在性迎来了终极判决。贝尔不等式还说明了一个问题,局域性和实在性至少有一个有问题,或者两个都有问题,不可能同时存在,这在后来也证明了量子力学中的不可观测性。

观察才存在

现在关于量子力学中的这种不可预知和不可确定,放在现实中就像是我们每个人的活动,每个选择带来的结果都是随机的,只有当我们确实观察到事件本身,这件事才存在。

因此这个问题也被上升到哲学层面的思考,我们生活的世界究竟是否是真实的?

这一切或许都是模拟出来的,客观世界确实存在,但是未来不可预测。


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