摘要:在以往的科普过程中,我已多次与大家分享过电子双缝干涉实验的奇妙之处。若你对实验细节满怀好奇,不妨查阅之前的科普文章,那里有对实验具体过程的详尽阐述。
在以往的科普过程中,我已多次与大家分享过电子双缝干涉实验的奇妙之处。若你对实验细节满怀好奇,不妨查阅之前的科普文章,那里有对实验具体过程的详尽阐述。
今天,让我们转换视角,不再聚焦于实验本身的操作流程,而是深入剖析其令人惊叹的实验结果,思考这些结果可能为我们揭示的关于世界本质的奥秘。
在此需着重说明,以下的思考并非毫无根据的天马行空,而是紧密依托现有物理理论展开的大胆设想。读完本文,你或许会觉得它既非传统意义上的科普文,也不完全等同于科幻作品,更像是二者相互交融的独特探索。
那么,让我们正式踏上这场充满未知的思想之旅。
电子双缝干涉实验并非仅有单一版本,随着科学探索的不断深入,科学家们持续对其进行升级优化,试图揭开实验过程中那些诡异现象背后的真相。
然而,直至今日,这一实验仍旧像一座神秘的迷宫,众多科学家深陷其中,却始终未能找到一个确凿无疑的定论。
电子双缝干涉实验之所以被视为 “恐怖” 的科学探索,并非源于实验操作本身的惊悚,而是其结果所引发的深刻思考,有可能彻底颠覆我们长久以来所秉持的宇宙观与世界观,引领我们触及 “时间本质”“时空穿梭” 甚至 “宇宙真相” 的关键钥匙。
尤其是延迟选择实验,宛如一扇隐秘的窗扉,让我们得以窥探到造物主似乎暗藏的 “阴谋”。这究竟是为何呢?
在实验进程中,当我们对电子 “视而不见”,不去实施观测时,电子就像一位神秘的舞者,呈现出无处不在的波动状态,仿佛能够同时现身于任何不同的地方,此时我们眼前的世界犹如被一层薄纱笼罩,模糊而不确定。
然而,一旦我们开启观测行为,电子的波动性便会如同梦幻泡影般瞬间坍缩,摇身一变成为具有确定性位置的粒子,只能出现在某个特定之处,于是我们又重新观测到了一个清晰确定的世界。这一现象,难道不比奇幻的魔法更为神奇莫测吗?
而由此引发的一系列连锁反应,才真正让我们感受到深深的震撼与恐惧。
首先,宏观世界也存在这种模糊的“叠加态”?
从某种程度而言,电子、光子等微观粒子展现出模糊不定的叠加态,这在一定范围内尚可被人们所接受,毕竟微观粒子的世界充满了奇特的量子特性,叠加态便是其中之一。
然而,不知你是否深入思考过,微观与宏观之间,究竟是否存在一条泾渭分明的分界线?一个粒子,究竟尺寸多小才算微观,多大又该归为宏观呢?
这并非一个能够简单一刀切给出答案的问题,恰似小孩与大人之间,并没有绝对清晰的界定标准。本质上,小孩成长为大人的过程,是一个逐渐积累、量变引发质变的过程;微观到宏观的转变,也是如此。
这就意味着,从理论层面推断,我们所处的宏观世界理应同样存在微观粒子所具有的那种 “叠加态”,即处于一种不确定的模糊状态。我们生活中的每一秒、每一分钟、每一天,从微观角度审视,其实都蕴含着无穷多个可能性的叠加。
然而,由于我们的世界时刻充斥着各种观测行为,无论是人类有意为之,还是其他因素导致的等效观测,都使得宏观世界的叠加态在瞬间就坍缩为唯一的确定结果。
换言之,在我们日常感知的宏观世界里,难以直观地察觉到叠加态的存在。但理论上确凿无疑的是,宏观世界的未来,确实是一个拥有无限可能性的 “混沌” 模糊状态。
恰恰是因为各类观测行为的存在,这种模糊的混沌状态才不断坍缩,最终呈现为我们每天所看到的客观存在的唯一状态。简单来说,在任何时刻,我们都面临着无穷多个选择,这些选择就如同模糊状态下的 “叠加态”。
而当我们下定决心做出选择的那一刻,叠加态便瞬间坍缩为唯一的确定状态,这也就决定了我们在那个时刻只能有一种选择。这仿佛我们每时每刻都站在一条拥有无穷多个岔口的道路上,最终只能择其一而前行。
所以,从特定意义上讲,不仅仅是微观粒子,宇宙间的万事万物都应当具备 “叠加态” 这种模糊属性。
其次,时空是不连续的。
长久以来,在人们的传统认知中,物体似乎是可以无限细分下去的。
然而,普朗克长度的出现,它让我们清晰地认识到,时空并非能够毫无限制地细分,而是存在着最小的有意义长度,即普朗克长度。任何小于普朗克长度的单位,在物理学的范畴内都失去了实际意义。
不仅长度如此,时间同样无法无限细分,存在着最小的时间单位 —— 普朗克时间。
这一发现揭示了由时间和空间共同构成的时空结构,实际上并非连续平滑的整体,而是具有不连续性。尽管在日常生活中,我们真切地感受到时间的流逝是连续且平滑的,但事实并非如此。
时间就像一位跳跃的舞者,从一个普朗克时间瞬间跳跃到下一个普朗克时间。
只不过,由于普朗克时间极其短暂,短到超乎我们的想象,所以我们的感官无法直观地察觉到这种断断续续的跳跃。普朗克时间与普朗克长度紧密相连,普朗克时间的定义为光在真空中飞行一个普朗克长度所耗费的时间。
时空的这种不连续性表明,时空结构并非是一个完美光滑的整体,而是由近乎无穷多个不可分割的极小部分组合而成。
为了更形象地理解这一概念,我们可以以看电视为例。电影在我们眼中呈现出连续平滑的状态,然而实际上,电影画面并非真正连续,而是由每秒播放固定帧数的一张张静止照片组成。理论上,帧数越高,电影画面看起来就越流畅丝滑。
例如,当帧数设定为 48 时,就意味着在电影这个虚拟世界里,最小的时间刻度为 48 分之一秒。倘若人眼在一秒内的分辨能力能够达到 48 次,那么原本看似平滑连续的电影画面,就会被我们清晰地看到是由一张张静止的照片构成。
而在相邻的照片之间,其实是一片漆黑,这类似于我们通常所说的虚无或者混沌状态。
这种状态,与我们现实世界中两个相邻的普朗克时间之间的状态极为相似,处于虚无或混沌之中,不具备任何实质意义。同样地,我们对现实空间和物体运动的理解也可以参照此例。由于普朗克长度的存在,我们所看到的物体看似连续的运动,实际上也是以跳跃的方式进行的。
至于在跳跃的过程中究竟发生了什么,以我们目前的认知水平,无论如何都难以知晓。因为在两个相邻的普朗克长度之间,是一段没有实际意义的存在,宛如一个神秘的 “黑箱”,隐藏着未知的奥秘。
还有,很多人熟知的相对论。
相对论作为现代物理学的重要基石,包含狭义相对论和广义相对论。让我们先来深入探讨狭义相对论。
狭义相对论的一个重要前提假设便是光速不变原理,简单来说,无论光速与其他任何速度如何叠加,其结果依旧是光速。
在经典物理学的速度叠加观念中,存在这样一个常见的例子:假设你身处一列高速行驶的火车之上,此时你打开手电筒,而我静止站在地面上。
按照经典理论,在我眼中,手电筒发出的光的速度应该是火车的速度加上光在真空中的速度,这样一来,观测到的光速就会大于光在真空中的速度,这显然与光速不变原理相悖,从而产生了悖论。
为了化解这一矛盾,确保光速不变原理的正确性,火车上的时间进程就必然要相对变慢。只有这样,才能保证从火车上观测到的手电筒发出的光的速度,在不同参考系下都恒定保持为光速。
由此,狭义相对论得出了一个令人惊讶的结论:物体的运动速度越快,其时间流逝就越慢。若借助电影中 “换帧” 的概念来理解,速度越快的物体,其 “换帧” 的速度就会越慢。
这意味着时间并非绝对不变,而是具有相对性。不同的人,由于所处的运动状态不同,感受到的一秒时长其实是不一样的。在极端情况下,你的一秒有可能相当于我的一年,当然,这需要你的速度足够快,快到接近光速。
然而,从每个人自身的主观感受角度来看,无论其运动速度如何,对一秒的感受都是相同的。这是因为,每个人经历的一秒时间内,总的 “换帧数” 是固定不变的。
我们仍以电影画面为例,无论是对电影进行快进还是慢放,电影画面中的人物自身是无法察觉到这种播放速度变化的。假设电影中的人物具有意识,我们录制下该人物一秒钟内的某个动作视频,并将这段一秒钟的动作分别以正常播放和慢放 10 倍的方式呈现。
在这两种播放模式下,视频中的人物都会主观地认为自己仅仅经历了一秒钟。在没有任何外部参照系的情况下,任何人对一秒的感受都是一致的,因为在这一秒的时间跨度内,“换帧数” 始终是以一秒除以普朗克时间来确定的,是一个固定值。
也就是说,无论你所乘坐的飞船速度有多快,无论它多么接近光速,只要你始终不离开飞船,那么你在飞船上度过的一生,从自身感受而言,与你在地球上度过的一生并无本质区别。
理论上,在你于飞船上度过一生的这段时间里,地球上的时间可能已经过去了几百万年,人类甚至可能已经走向世界末日,但你对此却浑然不知。即便你知晓了地球上时间的巨大变化,对于你自身而言,其实也没有太大的实际意义。
这是为什么呢?
因为只要你不离开飞船,就永远无法回到地球上。
理论上,你或许能够观测到地球时间在飞速前进,仿佛在以 10 倍速度快进电影,但地球上的人们并不会感觉到时间真的在加速流逝,而你也无法亲身去感受地球上时间的这种 “快进” 状态。
实际上,地球上的每个人在某种程度上,都生活在他人的过去或者未来,只不过这种时间差异极其微小,我们根本无法察觉。
如果要切实感受到这种时间差异,目前有两种途径:其一,以接近光速(亚光速)飞行一段时间后,再返回地球;其二,在强大的引力场附近停留一段时期,然后重返地球。这两种方式都会导致时间变慢,当你再次回到地球时,会惊讶地发现,地球时间已经过去了几年、几十年甚至更长时间,这就相当于你穿越到了地球的未来。
这个原理相信许多人都有所了解,而我们还可以从一个更为新颖、激进的角度来理解,那就是借助前文所提及的 “宇宙换帧” 概念。
两个相邻的普朗克时间之间的跳跃,我们可以通俗地理解为 “宇宙换帧”。当你的速度无限接近光速时,意味着你的一个普朗克时间相较于静止物体的普朗克时间会更长,理论上甚至可以趋近于无限长。
此时,你实际上已经无法进行正常的 “宇宙换帧” 了。而你此时处于宏观上类似 “量子叠加态” 的状态,同时又是观测者,按照正常情况,时间本应随着 “普朗克时间” 的推移而无穷分裂,进而分裂出无穷多个平行宇宙空间,每次 “换帧” 实际上都应当包含平行宇宙的分裂过程。
然而,由于你速度无限接近光速,“宇宙换帧” 停止了,这就使得无穷个可能性和开端全部叠加在同一个时空中,根据质能等价原理,便产生了无穷大的质量。这也就解释了为什么物体运动速度越快,其质量就越大。
许多人可能会有疑问:如果物体以光速飞行,质量变得无穷大,那么如此巨大的质量最终难道不会塌陷成为黑洞吗?如果真的如此,这是否意味着利用速度进行时空旅行就成为了不可能,从而产生悖论呢?
实际上,这种担忧是多余的,并不会出现这样的情况。
那么,其中的原因究竟是什么呢?
如果你想要实现光速飞行,目前理论上存在以下两种可能性:其一,你转变为没有静质量的存在形式,就如同光一样,以波的形态存在;其二,你进入 “玻色 - 爱因斯坦凝聚态”。
那么,“玻色 - 爱因斯坦凝聚态” 究竟是一种怎样的状态呢?
这种状态是指在极度逼近绝对零度的极端环境中,物质的所有粒子都处于静止状态或者同步运动状态。此时,粒子不再具备 “量子叠加态” 的特性,自然也就不会产生任何分裂现象。
早在 20 世纪末,美国科学家就成功创造出了玻色 - 爱因斯坦凝聚态。在极其接近绝对零度的环境下,绝大多数金属原子都会处于相同的量子态。
在理想状态下,如果你仍有意识,完全可以在粒子加速器中被加速到光速,从而前往未来。在整个加速过程中,由于处于 “玻色 - 爱因斯坦凝聚态”,不会出现量子叠加现象。相对而言,第二种方式在理论上更容易实现。
广义相对论的核心要义在于 “时空扭曲”,质量和能量都具备扭曲时空的神奇能力,并且质量越大,对时空的扭曲程度就越高。
依据膜宇宙理论,我们所处的宇宙实际上就如同一张 “3D 膜”,也可称之为膜世界。在广袤无垠的宇宙中,还存在着许多其他的膜世界。所有的物质都被限制在各自所在的膜上,每一张膜都构成了一个相对独立的完整宇宙。
膜宇宙的概念源自弦理论,在此我们暂不深入展开探讨。
那么,为什么黑洞没有时间概念呢?
这是因为时间和空间是一个不可分割的整体,从本质上讲,时间是某个空间跳跃到其他空间所产生的一种表现形式。而黑洞由于其拥有极其强大的引力,能够无限拉伸时空结构,甚至有可能将时空拉伸到直接与另一个膜宇宙相连通的程度。两个膜宇宙之间的距离,实际上就近似于一个 “普朗克长度”。
对于黑洞而言,到达其他膜宇宙的过程才相当于一次 “换帧”。因此,相较于宇宙的其他地方,黑洞内部根本不会有时间的变化,它仿佛是一个永恒的存在。这同时也意味着,从理论上来说,穿越黑洞就等同于穿越到了另一个宇宙,开启一场跨越不同宇宙维度的奇幻之旅。
最后一个问题,上帝真的掷骰子吗?
让我们再次借助看电影的例子来深入思考一个深刻的问题:上帝真的掷骰子吗?
我们日常观看的每一部电影,其中的每一帧画面都是固定不变的,无论我们观看多少遍,画面内容都始终如一。
现在,假设在未来的某一天,人类的科技水平达到了前所未有的高度,所拍摄的电影作品能够实现每一帧画面都不再固定。通过先进的计算机模拟技术,依据上一帧的内容,能够模拟出所有可能的发展情况,即呈现出 “量子叠加态”。
这就意味着电影的下一帧画面将拥有无穷多个可能性。
在观看这样一部具有 “量子特性” 的电影时,我们只能确切知晓已经播放过的电影画面剧情。假设电影的帧率为 48 帧,那么对于 48 分之一秒后的画面内容,我们将一无所知,充满了不确定性。
联想到电子双缝干涉延迟选择实验,这就如同人类明明已经通过实验知晓了宇宙的下一帧确实存在无数个可能性,也就是处于 “量子叠加态”,但为何当我们进行观测时,这无数个可能性会瞬间坍缩为唯一的确定画面呢?究竟是谁在背后默默地替我们做出了这样的选择?
在这极其短暂的 48 分之一秒的时间里,究竟发生了什么神秘的事件?
接下来,让我们将思绪从电影世界拉回到现实世界,重新聚焦于电子双缝干涉实验的过程。在我们即将对电子实施观测的瞬间,想象时间仿佛被按下了暂停键,定格在电子即将通过双缝之前的那一帧画面。
此时,不仅是电子本身,整个宇宙中所有能够被观测到的事物,实际上都处于一种即将被激发的 “量子叠加态”,充满了无限的可能性。就在我们再次按下 “播放键” 的那一刻,电子的画面瞬间如同陷入黑暗,紧接着画面迅速切换到下一帧,我们便观测到了电子通过了双缝中的某一条狭缝。
紧接着,电子又会马上进入一种即将被再次激发的 “量子叠加态”,等待着拥有无限可能的 “下一帧” 的到来。
我们可以这样来理解整个过程:所谓的观测行为,从本质上讲,就是宇宙从 “混沌” 状态分裂到无穷多个 “确定” 状态的过程。电子在未被观测之前所产生的干涉效应,实际上源于与电子叠加在一起的粒子在无数其他宇宙中的 “影子粒子” 所带来的影响。一旦我们进行观测,原本叠加在一起的宇宙就会从 “混沌” 状态迅速分裂成为一个个 “确定” 状态,粒子也随之进入到不同的宇宙空间。
显然,不同宇宙中的粒子之间自然不会产生干涉现象。
如果我们停止观测,粒子又会在经过一个普朗克时间之后,重新变回 “混沌” 状态。或许宇宙的本质就如同每一帧都处于 “量子叠加态” 的动态画面,每一个画面都仅仅能够持续一个普朗克时间,构成了我们当下所感知的 “现在”。
而所谓的未来,很可能并非真实存在一个既定的模样,未来仅仅是 “现在” 不断分裂演变所导致的结果。这也就意味着,每个人实际上只能拥有过去和现在,却永远无法真正拥有未来。换一种说法,正是因为我们拥有了当下的 “现在”,所以也就同时拥有了无限多的可能性,而这些可能性,其实就是我们对未来的所有想象与期待。
看到这里,或许很多读者仍感觉如坠云雾,对文中所探讨的内容一知半解。
这实属正常,毕竟量子力学的诡异性与复杂性,绝非一篇文章就能全面透彻地诠释清楚。一百多年过去了,直至今日,也没有任何人敢断言自己已经完全读懂了量子力学。
所以,如果你读完本文后感到困惑迷茫,那恰恰说明你正踏入量子力学那神秘莫测的世界。如果有人声称自己 “真的读懂了量子力学”,那反而可能表明他并未真正理解量子力学的深邃内涵。
今日进行科普的目的,并非要向大家强行灌输某种既定的思想观念,更多的是基于现有物理理论,分享个人的一些深入思考,期望能为大家带来一些全新的视角与不一样的启发。如果你觉得文中存在不合理、不严谨之处,欢迎积极留言互动,让我们共同探讨。因为在科学的道路上,不断地交流与探索,才是科学发展与科普传播应有的姿态。
来源:宇宙探索