【科學科普】光子再現新特性,或可解開量子物理學諸多謎團

天空之城 2021/03/22 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

如果問,光具有什麼特性?也許大多數人能說出來以下幾種:

光在均勻介質裡以直線傳播,光具有反射、折射、散射、干涉、衍射現象,光遵守光學的反射、折射定律,兩束光在傳播過程中相遇彼此不受干擾,光具有波粒二象性,光具有光電效應、光化學效應、聲光效應現象,光速為宇宙中最快速度等。

如果追問:光是否還存在有其他特性?估計很多人會搖頭或沉默了。接下來我們要探討分析的就是科學界目前一直在爭論、難以確定下來的光的另外三個不被常人所知道的特性。

光子的無時性。

該性質主要源于楊氏雙縫干涉實驗的延伸實驗——單粒子雙縫干涉實驗——的推測。

一束光通過兩狹縫可以在螢幕上形成干涉條紋,如果換成一個一個光子向兩狹縫發射的話,螢幕上又會形成什麼樣的圖案呢?

也許會有人說,那一定不會再形成什麼干涉條紋了,因為單個光子不可能與自身發生干涉吧?!

然而實驗結果卻是出人意料的。隨著一個個光子不斷地發射出去(每次都等前面發射的光子落到螢幕上後才開始發射下一個光子),剛開始螢幕上不斷出現的光子點似乎是毫無規律的一片散沙。然而隨著不斷增多的光子點的出現,漸漸地螢幕上開始呈現出有規律的干涉條紋出來。隨著光子點的繼續增多,螢幕上明暗相間的干涉條紋也變得越來越清晰。

實驗結果令科學家不敢相信自己的眼睛:單個光子也能形成干涉條紋?難不成光子還會自己跟自己發生干涉?果真如此的話,它是怎麼做到的呢?

科學家百思不得其解。最後有研究者給出了一個大膽的推測,認為,只有光子具有「無時性」,才能做到如此。

研究者對「光子無時性」推理的解釋是:

假設對光子本身而言,並不存在時間效應,即並不受時間的約束的話,那麼就等於光子可以在任一時刻(相對于我們現實中的時間而言)出現在宇宙的任何地方(光子的無時性同時也讓距離失效了,即對光子而言,不存在距離感,也就是說「時空」對光子而言已經失去作用)。

在同一時刻,能夠出現在宇宙的任何地方,對於我們而言,也就意味著光子具有「分身術」。換句話說也就是,即使一個光子,在任何一個時間點(相對我們的時間而言),它都可以同時出現在宇宙中的每一個地方(順便思考一下:如果該推理被檢驗正確,那麼有沒有這種可能——我們的整個宇宙實則只存在一個光子?)。

所以,由於光子具有「無時性」,無視時間的存在,可以同時出現在任何地方,所以在單粒子雙縫干涉實驗中,即使一個一個地向雙縫發射光子,光子通過與自己的「分身」發生作用,照樣可以在螢幕上形成相應的干涉條紋。

光子的隱秘性。

我們還是以單粒子雙縫干涉實驗中所遇到的某種奇異現象來探討分析。

在單粒子雙縫干涉實驗中,當科學家發現,單個粒子的發射也能在螢幕上形成干涉條紋時,剛開始令幾乎所有的物理學家都感到驚奇。於是他們就想弄清楚光子到底是怎麼穿過狹縫並自己與自己發生干涉的。

他們首先是戴上特殊眼鏡通過鏡片的閃光,來判斷單個光子的發射每次到底通過哪個狹縫。然後,令他們意想不到的是,當他們盯著狹縫想要看看光子是怎麼個穿越法時,卻發現,一旦他們想弄清楚光子的穿越路徑時,螢幕上最終只能形成雜亂無章的圖案,而不能形成干涉條紋。

於是,哥本哈根派的學者們爭相研究,都想弄清楚光子的這種奇異特性。於是態疊加原理,不確定性原理,薛定諤的貓,波函數坍縮,紛紛登場。

哥本哈根的解釋是這樣的:

光子在未被觀察測量時,穿過兩個狹縫的狀態處於疊加態,即兩個狹縫都有50%的概率被光子穿過,所以在螢幕上可以觀察到干涉條紋。但是,一旦被觀測了,光子的疊加態就消失了,即其波函數坍縮成了一種確定的狀態,所以螢幕上只能看到雜亂無章的光子點。

可是,哥本哈根派的解釋太籠統應付了,避開了主要的現象——為什麼一觀察光子的行為,就會導致疊加態消失,波函數坍縮呢?知其然不知其所以然,這怎麼行呢?於是有研究者另辟新徑,想從光子本身出發看能不能發現什麼隱藏的端倪。

沒過多久,光子的一種新特性——光子的隱秘特性——便被提了出來。持此觀點的研究者們給出的解釋是:

光子的實際傳播路徑遵循的是「整體隊形法則」。每個光子在傳播過程中都極力維持隊形的完整性,即使個別光子在傳播過程中不慎被障礙物吸收掉了,其餘光子也會立馬改變原先的傳播方式,調整自己的行為規則,從而維持原先隊形的不變性。

正因此,我們才能看到光在傳播過程中呈現出來的波動特性。但是,每個光子的具體傳播行為卻是隱秘的,即不容被窺視或探測,否則一旦一個光子的隱秘行為被觀測窺視了,其餘光子會為了替一個成員守秘而全部打亂「整體隊形」(不得不承認,它們是宇宙中最有集體意識的一族)。

光子B:兄弟們,注意了,有人正在探測我的行為方式。

光子C:什麼?還有人對我們單個光子感興趣?

光子D:人類越來越聰明了,我們還是小心為妙。

光子A:老四說得沒錯,我們的行為方式是不能被探測到的,否則就是對宇宙失職。弟兄們,聽我號令,無規則隊伍變形啟動!

眾光子立馬從有規則的隊形變成了一盤散沙。

光子的預測性。

我們仍然以單粒子雙縫干涉實驗中所遇到的奇異現象來探討分析。

當科學家發現,觀察者的意識很可能是影響干涉條紋消失的原因時,便又想到了一種新的探測法。

既然對光子行為路徑進行觀察時,人的思想意識可能會影響到光子的路徑選擇,那麼用沒有意識的物體來記錄探測不就可以了嗎?於是,科學家想出了一個招,把一個記錄儀放到雙縫附近專門用來記錄光子的路徑選擇。可是,令科學家困惑的是,即使是無思想意識的記錄儀對光子進行觀察,也會影響到螢幕干涉條紋的消失。這又是怎麼回事呢?

有研究者給出的解釋是,是記錄儀裝置本身發出的電磁場干擾了整個實驗系統,才會導致光子退相干的發生。

既然如此,那就換個干擾可以忽略不計的記錄方式不就行了嗎?可是,無論科學家採取什麼記錄方式,哪怕在離實驗設置很遠的地方觀察,仍然會影響到實驗本身,導致螢幕無法形成干涉條紋。但是,只要不對光子進行觀測,螢幕上就會形成干涉條紋。

難道光子能夠預測人的意圖?

於是,便有研究者推測出了光子的第三種新特性——光子的預測性。

對於放記錄儀或者其他干擾影響可以忽略不計的記錄設備仍然會導致干涉條紋無法形成的原因,研究者是這樣解釋的:

因為光子具有「無時特性」,所以時間對光子形如虛設,光子可以在過去,現在,未來之間任意穿梭,而且時間為0。也就是說,單個光子不但每時每刻能出現在宇宙的任何地方,也可以出現在任何時間。

正因為光子可以出現在無論過去,現在,還是未來的任意時間點,所以對於光子來說,等於是可以提前預測未來即將發生的事件。也就是說,光子已經預測到了人會從記錄下來的光子行為路徑去觀察研究,這與實際雙眼直接盯著光子看會選擇哪一個狹縫本質上並沒有什麼區別。

所以,根據光子的「隱秘特性」,當然不會讓人真正觀察到它們的行為方式,也就不可能看到螢幕上的干涉條紋。

 

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