電子實際穿過雙縫之後再觀察是否意味著因果顛倒?
因為我的觀察,才導致它穿過時是否發生了干涉。而時間上,觀察在穿過雙縫之後。這是否意味著,過去就如同將來一樣莫測和可改變?
這個實驗可以擴展一下,用半透鏡代替雙縫,從而構造出一個具有相當尺度的系統,使得,無論是宏觀還是微觀上,都是在電子實際上已經穿過雙縫*後*,再加入的探測器。
你糾結的可能是在穿過雙縫時做測量的話干涉消失的現象,叫做量子退相干[1],是由環境與量子系統的相互作用來解釋的。這裡的環境就是探測器,由於探測器的存在,整個系統已經完全不同,必須把探測器(環境)與電子做為一個系統來計算和解釋,他們間有相互作用,不能分開。
一個比喻來說明雙縫處探測器的作用,好比讓電子回答一個主觀問題,比喻一個人是好是壞。沒有探測器的情況下,電子可以辯證地認為這人又好又壞。在雙縫處有探測器的情況下,電子被迫做出非黑即白的評論。
雙縫處的探測器和後加入的探測器(屏本身)不是等效的系統。後者有干涉現象,前者沒有。前者在時間上處在同一點,探測器和電子通過時的狀態是糾纏的兩個雙狀態系統(即必須處理為一個系統)。後者探測器(屏)作用時電子已經通過雙縫,電子波散佈於全空間,而且探測器也不再是雙狀態系統而是一個面。
如果數學一下的話,設雙縫處探測器的狀態為|是 &> 和|否 &> ,表徵電子是否從左縫穿過;電子穿過時的狀態為|左 &> 和|右 &> ,表徵從哪個縫穿過。我說不能分開,是指存在一些狀態,不能寫成兩者狀態的張量積,比如(左+右)X(是+否)。一個典型的例子是(左是+右否),著名的量子糾纏態。這是與經典物理的關鍵不同點。在這一糾纏態下測量探測器的狀態,結果如果為「是」,那電子的狀態就是「左」。
讓人覺得因果關係顛倒的是延遲決定實驗,這是與雙縫等效的,但是與上面的分析不矛盾。該實驗使用分光鏡將光分成兩路,光路合併前對光路的測量影響了合併後的干涉與否,貌似測量影響了光在過去一個時刻的選擇。我們可以將之理解為一塊非常厚的板上的雙縫,或者使用光纖等手段加長光在縫內停留的時間。光路合併前的測量就是在縫內或光纖內的測量。光不論分開多久之後,只要還未合併,就處在雙系統狀態,在探測器處就形成糾纏態(被迫做出非黑即白的選擇)。合併之後的測量等效於雙縫實驗中用屏觀察。
光被分路後,到達探測器前,光是雙狀態系統,用科普的話說是「同時存在與兩條光路中」,用量子力學的話說是兩個狀態的疊加。因此探測器沒有影響過去,光在到達之前沒有做過任何選擇,是探測器強加給他的選擇,並最終體現在合併後的光路中。
如果有人認為這樣的描述是「看不見的龍」,我呆過的一個實驗室早已實驗觀察到了測量動作如何將一個量子狀態變為看似經典的狀態(退相干)。
[1]http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_decoherence
@陳浩 已經解釋的十分清楚了.
正如將來不能被確定一樣, 過去也不能被唯一地確定. 電子在完成我們觀察的這次干涉"之前"有了無數的可能,根絕費恩曼的理論,我們對一個系統進行的觀測影響了它的"過去".
我的理解是探測器的存在,使得電子波發生了收斂(波函數坍塌?)。
我是這樣理解的,由於在縫上增加了探測器,使得同一時刻電子只能通過一條縫了。可以想像成電子在通過左邊的縫的時候,右邊的被關上了。而事實上是電子被收斂到了左邊。它不能從右邊過去了,就像打開了薛定諤的貓的箱子,這時候貓不能是既死又活的狀態了。因為死的狀態排除了活的可能性,活的狀態排除了死的可能性。在這裡,通過左邊的縫與探測器產生作用,排除了通過右邊縫的可能性,電子不能再與自己干涉了,所以沒有了干涉條紋。
就像電子波通過兩條縫打到對面屏幕上被感光材料或者探測器捕獲的時候,那一刻電子也有了一個確定的位置,而不是像波一樣充斥於整個空間。
我不認為過去可以改變,只是沒有觀測之前,過去是未知的。但又由於不確定性原理,所以過去永遠是不能精確斷言的。這種困惑是可以理解的。因為量子論裡面引入了兩個看著很像實際上卻很不同的概念:幾率幅和幾率。
幾率幅就是我們所說的波函數,常用|ψ&>表示,它是函數空間里的一個矢量。
幾率就是我們所說的可測量,&
如上所述,測量過程就是把一個|ψ&>變成&
如果我們用諸如光子之類的手段去測定了電子是穿過哪個縫隙的,那麼電子將是以&
並沒有完全推翻因果律。
延遲實驗指出: 我們現有的對光「波粒二重性」的認識,和因果律矛盾。
即:
如果你認為光子按照粒子或波的形式,以光速傳播。 則因果律被推翻。
如果你認為因果律沒有被推翻,則必須承認現在對光的認識是錯誤(不足)的。
現代量子力學的發現說明物質很難以獨立存在於觀測之外。著名物理學家惠勒博士(John A. Wheeler,曾與波爾和愛因斯坦共同研究理論物理)提出的「延遲選擇思想實驗」(Delayed Choice Experiment)已經被證實。這個思想實驗說明一個粒子在空間中走過的路徑竟然會由最後的觀測來決定,按理說客觀存在的粒子走過的路徑在觀測之前已經是客觀存在、不可更改的。至今物理學界對此也沒有令人滿意的答案。惠勒博士晚年時說的一些話表明他對物質的客觀實在性也非常懷疑。
激光脈衝源(laser pulse source)發出光子,到達半鍍銀的反射鏡BS1(作用是使光子有一半可能穿過了反射鏡BS1到達全反射鏡M1,一半可能被反射鏡BS1反射到達全反射鏡M2),兩個全反射鏡M1和M2把這兩部分的光子又交匯在一起。在終點觀察光子飛來的方向,我們就可以確定光子究竟是沿著哪一條路徑飛來的。
如果在終點處也插入一塊半鍍銀的反射鏡BS2,通過調整BS1-M1-BS2和BS1-M2-BS2兩個路徑的光子的相位,可以使這兩部分光子到達BS2時發生反相干涉,從而使光子在水平方向或者在豎直方向上「互相抵消」,最後只在豎直方向或者水平方向上輸出。然而,真正讓你感到不可思議的是,即使激光脈衝源(laser pulse source)每次只發出一個光子,經過足夠長的時間,你還是可以看到同樣的干涉結果,這說明一個光子每次到達BS2時和自己發生了干涉——按照量子力學的官方說法就是一個光子同時通過BS1-M1-BS2和BS1-M2-BS2兩條路徑到達BS2後和自己發生干涉(詳見著名的雙縫干涉實驗,激光脈衝源每次只發出一個光子,經過足夠長的時間,你同樣會看到干涉條紋)。
但是,如果在終點處不放置半鍍銀的反射鏡BS2,激光脈衝源(laser pulse source)每次只發出一個光子,則通過在終點觀察光子飛來的方向,我們每次卻只能看到光子從一個路徑飛來,或者沿水平方向,或者沿豎直方向。這說明,如果我們不在終點處放置半鍍銀的反射鏡BS2,光子就沿著某一條路徑而來,反之,它就同時經過兩條路徑而來。也就是說,我們的選擇決定了光子的「選擇」。
現在的問題是,如果在光子已經通過了第一塊半鍍銀的反射鏡BS1,快到達終點(還沒到達)的時候,我們才把半鍍銀的反射鏡BS2放入終點處,結果會怎麼樣呢?一般地,我們會認為光子通過了第一塊半鍍銀的反射鏡BS1後已經選擇了怎麼走,按前面的結果就是光子只沿著某一條路徑而來,應該不會再發生干涉現象。可惜,結果再次讓你感到驚訝,光子還是選擇了同時經過兩條路徑而來。無論激光脈衝源(laser pulse source)每次只發出一個光子還是多個光子,結果都是一樣的。這就是著名的惠勒延遲選擇實驗(Wheeler』s delayed choice experiment)(詳見量子力學發展大事記)。實驗結果表明,我們現在的選擇(觀測行為)改變了光子過去的「選擇」。也就是說,我們可以在事情已經發生之後再來決定它應該怎麼發生——無論是否事情的結果在邏輯上已經在一段時間以前被決定!
實際上,「任何一種基本量子現象只在其被記錄(觀測)之後才是一種現象」,量子力學的創始人之一玻爾說,「而在觀察發生之前,沒有任何物理量是客觀實在的」。也就是說,觀察創造了全部的實相。現在,惠勒延遲選擇實驗在此基礎上更進一步的說明,觀察不但創造了實相,而且還可以在事情發生之後再逆時間地創造實相。關於客觀實在絕對性的世界觀的徹底失敗,詳見自然界違背貝爾不等式的阿斯派克特實驗。
值得一提的是,關於時間,愛因斯坦創立相對論時也有一個著名的結論,「過去、現在、將來的區別,只是一種幻覺,不管人們怎麼堅持這種區別也沒有用」。不過,相對論強調的是我們對時間的幻覺,而量子力學的結論更加普遍,那就是一切實相都是幻覺。
雖然聽上去古怪,但這卻是哥本哈根派的一個正統推論!惠勒後來引玻爾的話說,「任何一種基本量子現象只在其被記錄之後才是一種現象」,我們是在光子上路之前還是途中來做出決定,這在量子實驗中是沒有區別的。歷史不是確定和實在的——除非它已經被記錄下來。更精確地說,光子在通過第一塊透鏡到我們插入第二塊透鏡這之間「到底」在哪裡,是個什麼,是一個無意義的問題,我們沒有權利去談論它,它不是一個「客觀真實」!惠勒用那幅著名的「龍圖」來說明這一點,龍的頭和尾巴(輸入輸出)都是確定的清晰的,但它的身體(路徑)卻是一團迷霧,沒有人可以說清。 在惠勒的構想提出5年後,馬里蘭大學的卡洛爾?阿雷(Carroll O Alley)和其同事當真做了一個延遲實驗,其結果真的證明,我們何時選擇光子的「模式」,這對於實驗結果是無影響的(和玻爾預言的一樣,和愛因斯坦的相反!),與此同時慕尼黑大學的一個小組也作出了類似的結果。 這樣稀奇古怪的事情說明了什麼呢? 這說明,宇宙的歷史,可以在它實際發生後才被決定究竟是怎樣發生的!在薛定諤的貓實驗里,如果我們也能設計某種延遲實驗,我們就能在實驗結束後再來決定貓是死是活!比如說,原子在1點鐘要麼衰變毒死貓,要麼就斷開裝置使貓存活。但如果有某個延遲裝置能夠讓我們在2點鐘來「延遲決定」原子衰變與否,我們就可以在2點鐘這個「未來」去實際決定貓在1點鐘的死活! 這樣一來,宇宙本身由一個有意識的觀測者創造出來也不是什麼不可能的事情。雖然宇宙的行為在道理上講已經演化了幾百億年,但某種「延遲」使得它直到被一個高級生物所觀察才成為確定。我們的觀測行為本身參予了宇宙的創造過程!這就是所謂的「參予性宇宙」模型(The Prticipatory Universe)。宇宙本身沒有一個確定的答案,而其中的生物參予了這個謎題答案的構建本身!
John Archibald Wheeler是那些認真考慮過量子力學的人之一。在研究了哥本哈根對雙縫實驗的解釋---強調觀察者知道的和觀察者何時知道---之後,惠勒認識到觀察者的選擇可能會控制那些到實驗中的變數。 「如果你說的是真的」惠勒說(事實上),「那麼我會在一件事情可能已經發生後再選擇知道一個特性」惠勒意識到在這種情況下,觀察者的選擇可能會決定實驗的結果---而無論是否實驗的結果在邏輯上已經在一段時間以前被決定。 「沒有意義」簡化主義者們說。「垃圾」唯物主義者們說。「完全荒謬」幼稚的現實主義者們說。「是的」數學家們說。惠勒的思想實驗和量子力學的預言被帶到了實驗室中,接受實踐的檢驗。一下就是所發生的。
可以簡單的這麼理解:延遲決定實驗中,光必須要做的決定其實只有一個,就是在最終的探測器上是否呈現出條紋,而這個決定作為果是一定在因之後的。所以沒有因果顛倒。
之所以給人錯覺,關鍵在於光學理論構造了"干涉"這個概念,讓人覺得"是否要干涉"是一個必須在通過雙縫時就明確下來的"果",而其實這不過是為分析和描述便利創造出來的思維產物,並非過去,也不是果。在通過雙縫時光子並未被觀測,所以並不明白何為干涉的光子也不需要在此時糾結於是否要干涉。只有觀測器呈現的變化才是果,一切未被觀測展示的,都只是人類的推理而已。
我的回答現在排在什麼位置是由我們大家接下來決定的
這是lazyload,你發現了嗎。
其實你一直是個缽中之腦。
我想提一個民科問題,求專業人士用粗淺語言解答:
因為試驗結果(干涉或不干涉),是需要累積單個光子。光子穿過第一個透鏡後再決定是否放置第二個透鏡,如果說認為是改變了歷史,為什麼不可以認為是改變未來若干個單個光子的路徑?
你們都忘了,其實時間也是可以一種粒子啊。
E=mc2
C其實不是 S/t 么?
也就是 Et2=mS2
那麼,可以這麼解釋了。
電子因為m特別小而E相對較大,所以,可以理解成電子自帶了一個 時間子,或者說 電子波和時間波正交傳播。
相干條件 在考慮 時間波 的情況下,要求補充條件,即 符合時間波的波長。
任何觀測都會破壞時間波,從而改變了相干條件,一旦不滿足相干條件就不相干了。
補充:觀測過程可以看出用兩股時間波做干涉,然後得到結果。
本來我是理論唯心主義者,但突然間我覺得電子雙峰實驗其實用決定論的方式一樣能夠解釋。首先必須承認能量量子化的概念,畢竟愛因斯坦的光電效應的解釋和普朗克的黑體輻射公式已經說明能量量子化的概念是客觀可信的。現在來看看經典電動力學中的電子,它運動的時候會產生電場和磁場,產生電磁波。那麼為什麼電子通過單縫的行為能夠用經典力學來解釋,而通過雙峰卻會發生干涉呢。可以做一個思想實驗,實際上不可能做單個電子通過雙峰的實驗,你至少是一個序列的電子通過雙縫。這就導致一個結果,電子相互之間無時不在相互發送電磁波,而電子在電磁場中的行為是受電磁力影響的,而根據普朗克量子論,電子發生能量和動量的改變就是接受或發送了光子。自然如果多個電子通過雙峰那麼他們之間的光子交換就不可以忽略,而這個過程只要是多個空間時間位置比較接近的電子之間就無時無刻不在進行,結果自然是干涉的。觀察者的行為,比如遮擋雙縫使其變成單縫已然改變了多電子體系合成的電磁場的結構自然就影響到了多電子體系相互間交換能量的模型,自然可以將電磁場的多波干涉變成單波衍射。當然這裡指的電磁場同經典電磁場不同,他發送和接受能量是量子化的也就是具有一定的隨機性,當然,這個解釋就可以避免因果倒置的問題了。不知我說的對不。
我說我是一個理論唯心主義者是因為我首先思考這樣的哲學問題,自我和意識是如何產生的,這對每個人都是最最客觀的實在性了,與其相信,無意識的物質,群體能產生統一性的自我感知,不如承認奧卡姆剃刀準則把自我意識當作不增不減真實不虛的基礎物質還來的更簡單些。本來看量子論是想從量子糾纏中找到自我意識統一性的理論基礎,結果翻到這個很多宗教人士用來證明唯心主義正確的實驗,結果卻讓我推出了唯物決定論的解釋,真不可思議呀。
我甚至還覺得有另外的比較開玩笑的解釋,宇宙就是一個並行的計算機,不同步的時候計算順序就是隨機的,如果一做實驗一觀察就相當於打了斷點,一下子這部分代碼就開始串列執行了。結果就是量子消相干了。還有就是之所以不能無限的連續下去,小到一定程度就有量子效應是因為計算機的信息表示位數有限,無限細分需要的信息量太大,而整個宇宙計算機的信息量有限。
根據愛因斯坦相對論,大質量物體會使時空扭曲從而會彎曲其他有質量粒子的軌跡一樣,使光線發生彎曲。在電子雙縫實驗中觀測設備質量相對於電子質量較大,所以觀測設備會扭曲時空,產生的引力會干擾電子的原來的運動軌跡,並且會影響電子波的特性,只表現出粒子的特性,所以當我們加入觀測設備觀察電子時會看到電子實際穿過雙縫之後呈現不一樣的實現現象,以上是我的推論,如果要出現合理的實驗結果,應該做出一個觀測設備相對電子大小差不多的觀測設備,這樣觀測設備產生的引力不足以影響電子的運動軌跡,當然這是不可能的,那麼我們可以這樣設定實驗,如果把觀測設備放到電子發射器和雙縫之間剛剛好的位置上,讓觀測設備的引力場可以不影響電子感應屏屏那裡,那麼在進行實驗,我想應該會出現兩個結果,首先通過觀測設備觀察的電子沒有干涉條紋現象,而電子感應屏上會出現干涉條紋的現象。
沒有顛倒
如果用量子力學基礎理論去解釋雙縫實驗,我們不可避免地會「眩暈三秒」,稍微定定神,我們會發現有一隻『』貓『』,結結實實地擋在了理性思維的路口。而另一個路口,明白地寫著「多世界詮釋」。
雙縫實驗,量子物理理解為「波函數坍縮」現象。由量子哥本哈根詮釋的不確定性原理假設來解釋。物理學自從首次承認了「測量(後修改為環境因素影響,大同小異)導致波函數坍縮」這個帶有主觀意味的假設之後,量子力學的一切才顯得不可理解了。
如果把「測量導致波函數坍縮」,換一種『』幾乎『』等值的闡述,我們再來理解雙縫實驗,也許,眩暈感會減輕很多。
首先,我們要面對一個事實:歷史總是只有一個唯一的結果,而未來「似乎」有無數種可能性。這一事實,無論是量子實驗,還是日常經驗,結論都是統一的。
「波函數坍縮」現象,如果用「未來的可能性坍縮成歷史唯一事實」來闡述,能不能更好地為我們所理解?
在這種闡述中,我們容易發現,「波函數坍縮」與時間有直接關係,而與測量(或環境因素)等無關。也就是說,隨著時間的過去,存在於未來的「波函數」(可能性),通過當下(波函數坍縮),成為歷史。這個過程,只與時間有關,而與我們主觀上有沒有觀測(或環境有無影響),沒有絲毫關係。
再回到雙縫實驗。我們把時間假設加入進去:一、假設當下(時刻),光子還在光源處。在未來的某一刻,光源發出的光子,將有一部分,飛赴雙縫中的一縫,那麼,到底飛越哪一縫,尚未確定,即我們無法準確預測某一份光量子將飛越何縫,但我們知道,這一份光量子將從二縫之一越過(可能性分布按「波函數公式」)。二、假設當下(時刻),某一光子已經穿過其中一縫,尚未到達屏幕處。那麼,光子已經飛過的軌跡(過去時間內),一定是唯一的(已坍縮)。而這個光子,將打在屏幕的哪一個位置上,則無法預測準確(能預測某一位置可能性的大小)。
而在屏幕上,之所以能引起干涉條紋,是因為光源所發射的光子,經過了擋板和雙縫的篩選,讓經過兩個縫隙的,波長(或其他屬性比如偏振)間互相有影響的兩束光,發生了干涉效果。
雙縫干涉試驗只是展示了一種物理現象,人們還無法對這種現象提出符合客觀規律的解釋。對於一種還不能解釋的現象就得出「意識決定物質」或「因果倒置」之類的結論,是不是太過輕率了?
另外,是不是進行觀察對試驗結果產生了影響,但也只是影響而已。怎麼能扯到決定呢?影響和決定是一個概念嗎?這怎麼就能得到「意識決定客觀實在」的結論,只能說「意識影響了客觀實在」。事實是「人想」觀察「粒子」是怎樣通過雙縫的,這裡的「人想」不就是所謂「人的意識」嗎?人的意識怎麼了?決定了客觀實在嗎?你想看,粒子就是不讓你看,你能把粒子怎麼樣?你決定粒子的行為了嗎?
我認為在論述問題時應做到「概念準確,邏輯清晰」, 這比得出一個結論更加重要。
人是弱觀察者,高倍攝像機是強觀察者。
人光靠肉眼是無法看見量子選擇的,所以量子依然處於概率雲狀態,安裝的攝像機可以觀察到,所以是強觀察者。
在強觀察者出現時,同時量子概率雲坍縮為確定狀態,所以出現雙縫和攝像機開機這兩者應該是同時發生的,不存在先後吧?
弦理論的平行宇宙觀點反而更好接受。。。添加了觀察者意味著將電子能量鎖定在了本宇宙。如果上升到弦理論對於電子本身微弦的結構來講,那他自由選擇的結果正應該是所有平行宇宙概率結果的積分和,也就是會產生雙縫干涉的情況,因為左右各50%的幾率。 其實我在想有沒有人進行進一步驗證,用大小不一的雙縫進行實驗
可能,因果性在微觀領域不存在。因果概念只有在宏觀領域內才是有效的概念。
不知道為什麼那麼多科學家都用各種匪夷所思,玄而又玄的理論來強行解釋雙縫。相對論放那都不用。
在我看來,雙縫實驗明顯就是兩條縫的空間發生了扭曲,你可以想像成一張紙上有兩個縫,你直著穿當然只能穿過一條,但是當物體以光速穿越縫隙的時候,整個紙面發生了時空扭曲,相當於紙摺疊了,你電子當然一下就穿過兩條縫了啊。
蟲洞假說也是這麼來的,這樣想不是非常簡單么。推薦閱讀:
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