宏觀到微觀:光的雙重本質與觀察者效應

在20世紀之前,人類作為宏觀世界的一部分,我們對科學的認知都是建立在現實的確定性之上的。我們信奉科學的確定性和決定性,認為科學是一個可以解釋和預測宇宙中的任何現象的完全體系。

1846年,一個具有里程碑意義的事件讓這種信仰變得更為堅定。那年,天文學家們利用牛頓的萬有引力定律和克卜勒的行星運動定律,通過對天王星的軌道偏移的觀測,成功推測出了海王星的軌道和位置。這個被稱為”海王星的預言”的實例,可以說是宏觀世界科學的一次巨大成功,更加堅定了科學家們的信念:如果有一台超級計算機,他們可以根據已有的理論預測出宇宙的所有事物的未來。

這種對現實世界的確定性以及可預測性的堅信貫穿著那個時代的物理學。這是20世紀大部分科學家的世界觀,包括最傑出的理論物理學家愛因斯坦。然而,這一切都被一個看似平常的物理學實驗徹底打破了。從20世紀初開始,物理學家們就開始思考一個看似簡單,但實則復雜的問題:光究竟是波還是粒子?

回溯到更早之前,牛頓曾經提出光粒子理論,他認為,光既然是直線傳播,遇到障礙物也會反射,那麼光一定是實物粒子。這是根據我們在宏觀世界中觀察到的物體行為推斷的。而且,如果光是粒子,就可以解釋光在穿越媒介時速度的變化,以及光在與物體碰撞時的能量轉移。

但是,如果光真的是粒子的話,就無法解釋光的衍射和干涉現象。這兩種現像是光的波動性的最直接的證明。衍射是指波在通過狹縫或繞過障礙物後,波動方向的改變,而干涉則是指兩個或多個波相遇時,波動振幅的疊加或相消。光的衍射和乾涉現像在實驗中被反復觀察到,特別是托馬斯·楊的雙縫干涉實驗,給出了光的波動性的直接證據。

這個爭論,表面上看起來只是關於光的性質的爭論,但實際上,它觸及到了物理學的根基,挑戰了我們對現實世界的基本認識。況且,我們也從未看到兩束光會發生碰撞,如同粒子那樣。因此,對於光是波的觀點,也有不少人支持。

然而,儘管這些論據在理論上都有一定的合理性,但科學的實質是實證主義,也就是說,無論一個理論看起來多麼美好,只有經過嚴格的實驗證明,才能被接受為科學事實。因此,為了解決這個關於光性質的爭論,科學家們設計了一系列精妙的實驗。

接下來的描述,我用一些生活中的類比來幫助大家更好地理解這些實驗。

科學家們使用光子發射器對準雙縫進行發射。如果光被視為粒子,那麼當光通過雙縫後,在屏幕上呈現的結果應該是兩個明顯的條紋。然而,如果光被視為波動,那麼在屏幕上留下的將是類似斑馬線的條紋。

第一次實驗:

你可以把這次實驗看作是一場激烈的水槍大戰。科學家們手持“光子水槍”,向著有兩個小洞的“城牆”射擊。如果“光子”是小水珠(粒子),那我們預期的結果應該是,只有兩個濕的地方,因為水珠只能通過兩個洞之一。但如果光是水波,那麼就像池塘里扔兩塊石頭,兩個波紋會相互影響,造成一種叫做乾涉的現象。結果是,他們發現的是一連串濕的地方,就像斑馬線一樣。所以,他們得出結論:光行為更像波。

論點偏向光是波。

第二次實驗:

科學家們對策略進行了調整。他們決定一次只射一個“水珠”。一開始,的確是看到一個個獨立的水珠痕跡。但奇怪的是,隨著時間的積累,像斑馬線一樣的條紋又出現了。這就像是那些單獨的水珠有自知之明似的,知道它們應該在哪裡落下才能形成斑馬線。這個結果讓人不可思議,因為我們不知道一個光子是如何與自己進行干涉的。

科學家產生困惑。

第三次實驗:

為了解決這個謎團,科學家們進行了第三次實驗。他們在每個洞口都安裝了探測器,以確定光子究竟是通過哪個洞。結果是,每個光子都只通過一個洞。然而,更奇怪的是,當他們用探測器觀察時,斑馬線消失了,改為了兩條線,就像粒子模式一樣。當探測器被移除,斑馬線又神秘地出現了。這就像光子能感知我們是否在觀察它,並據此改變其行為。

觀察者效應出現。

這一系列的實驗,給我們展示了一個不可思議的現象:光既像粒子又像波,這取決於我們是否觀察它。這不僅顛覆了我們對物質的傳統理解,也挑戰了我們關於現實的理解。這種“觀察者效應”,被譽為量子物理學的一個核心原理。它強調的是,我們的觀測行為甚至有可能影響到物質的基本性質,這是個令人驚訝的結論。這就是為什麼當我們仔細觀察光子經過雙縫時,它表現出的性質會改變的原因。

這個實驗告訴我們,在微觀世界中,實體可能不再是我們傳統意義上理解的”實體”,它們能夠以多重狀態並存,只有當我們試圖測量它時,它才會”決定”展現出特定的狀態。這個現像在物理學上被稱為”波函數坍縮”。

此外,光子的行為好像它已經預知了我們的決定,無論我們決定做什麼,它都已經調整好了自己的行為。這個結果直接挑戰了因果關係的基本原理,讓我們不得不重新審視我們對時間、空間和現實的理解。

簡單地說,雙縫實驗揭示了一個深刻的事實:我們的現實可能比我們所理解的要復雜得多。不僅我們觀察的方式會影響所觀察的現象,觀察者和被觀察者之間可能存在一種超越我們傳統理解的神秘聯繫。

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