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科学有故事
30玻尔的上帝 (神秘嘉宾客串)
30玻尔的上帝 (神秘嘉宾客串)
科学有故事
专辑：
时间的形状作者自己念
时长：19:28
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欢迎收听科学有故事
比科学故事更重要的是科学精神
最近汪杰老师的口腔溃疡严重了
别说录节目了
话都说不出来
我跟平哥帮着带两期
希望大家不会等太久
也希望汪杰老师早点好起来
上一期我们讲到了双缝干涉实验
在这个实验中
包含了量子力学的所有秘密
这又是怎么回事呢
这事的起因要从爱因斯坦说起
还记得那个物理学的奇迹年吗
就是一九零五年
爱因斯坦连续发表了五篇传世的论文
但其中一篇跟相对论没有关系
是叫做关于光的产生跟转化的一个试探性观点
现在我们把这篇论文称作爱因斯坦关于光电效应的那篇论文
在这个论文中
爱因斯坦解决了困扰物理学界多年的一个问题
那就是为什么光会在金属上打出电子来
爱因斯坦的观点认为
光是由一个一个的光量子
简称光子组成的
这些光子聚集在一起
表现出波的特性
但是如果单独看
它又具备粒子性
这就是现在每个高中生都知道的光的玻璃二项性
换句话说
光既是粒子
又是玻
爱因斯坦因为这篇论文
在一九二一年获得了诺贝尔物理学奖
而且也仅仅只有这一次获奖
光既是粒子又是波
你在读到这句话的时候不感到奇怪
是因为你对波和粒子并没有感性认识
但是
如果我说什么什么动物既是猫又是狗
什么什么材料既是石头又是金属
什么什么东西既是活的又是死的
你一定回答说
荒谬
脑子坏了吧
在上世纪初
许许多多的物理学家听到光既是粒子又是波
与你刚才听到的什么什么动物既是猫又是狗听到这些话感觉是一样荒谬的
在物理学家眼里
波就是波
粒子就是粒子
两者截然不同
比如说水波吧
水分子的上下波动引发了波纹
这个波纹只表示能量的传递
并不是一个真正的客体
再比如说声波
也不过是空气分子震动形成的
除了空气分子跟传递的能量外
再也没有其他别的什么东西了
水波跟声波
都不可能是一个个实实在在的小球
在空中
在水中飞来飞去
那时候的物理学家坚信
光如果是一种波
就必然要在一种叫做以态的介质中传播
并没有什么真正的客观的实体的光
它只不过是以态的振动在人们眼中造成的效应而已
然而
随着各种各样的实验被设计出来
随着理论物理研究的深入
物理学家们终于开始接受
原来波的产生并不是一定要有介质
以态是不存在的
在真空中
光波也能传播
而且光波中真的含有数量无比巨大的光子
单个儿光子的行为看起来就像是一个经典粒子的行为
但是聚集在一起
就形成了波
当这个观点被越来越多的物理学家所接受的时候
突然有人站了出来
问了一句
那么请问
那么在双缝干涉实验中
单个光子到底是通过了左缝还是右缝呢
本来喧闹欢腾的场面突然安静下来
每个人都开始思考这个问题
很快
物理学家们都意识到
这下好了
物理学的真正麻烦来了
这个问题就像是打开了阿甘的巧克力盒子
从此
物理学陷入了迷茫
混乱 猜疑
神秘之中
有人愤怒
有人抓狂
有人绝望
有人欣喜
有人趁火打劫
有人面壁思过
这场混乱一直持续到今天都没有停歇
人们问的那个问题
在双缝干涉实验中
单个光子到底是通过了左边的缝
还是右边的缝儿呢
这个普普通通
简简单单的问题意味着什么呢
是什么力量使得理论物理中经典世界观陷入了万劫不复的深渊呢
让我给你详细解说这个问题对物理学家们的震撼所在
一束光如果只通过一条狭缝
那么在屏幕上是不会产生干涉条纹的
如果通过两道狭缝
则会产生干涉条纹
我想请你想象一下
如果我们把一束光看成是由亿亿万个光子聚合而成
每一个光子就像一个小球
当然
光子并不是一个小球的形状
只是打个比方
并不影响我们对问题的探讨
当其中一个光子遇到狭缝的时候
按照我们朴素的观念
这个光子要么通过了左边的缝
要么通过了右边的缝
二者必选其一
但现在的问题是
当一个光子通过左边的时候
他是怎么知道还有另外一条右边的缝存在呢
光子只是一个无生命的小球
它不可能像人在快飞的侠缝的时候
用眼角余光扫了一眼
就知道边儿是否还有一道缝缝
如果看到还有一条缝儿
我就这么飞
如果看到没有那条缝
我就那么飞
你可能还没有听懂
没关系
这个事情我必须要喋喋不休的说到你完全听明白了才能罢手
这事关整个量子物理学的理论根基
绝不能含糊
过去
现在我们先在平面上开一条缝儿
我们看看如果只有一条下缝的情况下
光子会怎么通过这条单缝
这幅图片大家可以在汪老师的微信公众号中看到
在微信公众号回复关键字
光子
如果我们做一个简单的实验
就很容易能发现
这就是所谓的光的衍射现象
一束光通过一条狭缝照在后面的屏幕上
会形成一片光亮的区域
离狭缝越近的区域越亮
离狭缝越远的区域越暗
在微信公众号这幅图上
我们用了一个很直观的比喻
把光子看作是一个一个小球
它们通过一条狭缝之后
并不是走直线
而是根据概率分布在屏幕上中间多
两边少
但是一旦我们在那条狭缝的边上再开一条狭缝
情况马上就会变得很神奇
我们会看到光子就像一支训练有素的军队
排成了整整齐齐的队形
这个事情确实有些神奇了
光子会排列成整齐的队形也就算了
毕竟可以用波的干涉现象去解释
但是单个光子在通过了左缝的时候
如何知道右缝的存在
通过右缝的时候又如何知道左缝的存在呢
你要知道
相对于光子的尺寸来说
双缝之间的距离就好像从地球遥望月球一样远
把这个问题问的更简单一点
就是
单个光子到底通过了左缝还是右缝呢
我怕你还是没有搞清楚这个事件有多怪异
保险起见
我们再来打个比方
假如你是一个足球运动员
你的球门和你之间竖着一道开了的双缝
你开始对着两条缝射门
你觉得会呈现出怎样一幅情景呢
仍然是回复光子
汪老师给大家画了一幅图
在这个球门区域里头
所有的足球通过两道缝都会集中在球门框的两个区域里
但是现在
如果你脚下踢的不是足球
而是一个一个的光子
就会呈现出下面这样怪异的图像
所有的足球都是通过两道狭缝射进球门的
可是球门框里头却出现了n多个足球集中的区域
如果在现实生活中看到这样的情景
你是不是会觉得太怪异了
像玩魔术一样
难道这竟然是真的
这是为什么呢
以丹麦物理学家波尔为首的哥本哈根学派站出来跟大家解释道
这个问题本身不成立
光子既不是通过左缝
也不是通过右缝
而是同时通过了左缝和右缝
这里不是说的可并不是指光子会分身术
一分为二
一半通过了左边
一半通过了右缝
它的意思说的很明确
就是指同一个光子同时通过了左缝和右缝
对的
你确实没有听错
这确实是从严谨的物理学家嘴里说出来的话
请相信我
就在你感到莫名其妙的同时
我也跟你一样感到无法理解
量子的所有行为
几乎都不是正常思维能够理解的
按我们惯常的理解
爱因斯坦跟波尔两个人可以同时分别位于德国和丹麦
或者他们可以今天位于德国
明天位于丹麦
但是如果你告诉我
爱因斯坦同时位于德国跟丹麦
波尔同时通过了凯旋门和埃菲尔铁塔
我一定会认为你的脑子坏掉了
当哥本哈根学派这么站出来解释的时候
同样也是冒天下之大不畏
全世界的大多数物理学家都群起而攻之
尤其是爱因斯坦
对布尔连连摇头叹息
说布尔丢掉了最基本的理性思想
还有某位最激烈的物理学家说
如果哥本哈根学派的解释是对的
他宁愿改行去当医生
从此再也不搞物理了
你可能会想
大家何必吵吵闹闹呢
光子到底通过了左缝还是右缝
我们在实验室里仔细观察一下不就好了吗
与其做而论道
不如实际行动
去做个实验不就知道了吗
你的想法完全没错
物理学家们也都是这么想的
只是这个实验的难度远远超过了你的想象
天下还没有那么强大的摄影机能把光子飞行的轨迹记录下来
也不可能在光子身上绑上一个微型跟踪器
然后全天候的跟踪
你想想
我们为什么能够观测到一样东西呢
照相机
摄像机为什么能把物体的影像拍下来
其本质原因正是在于物体发射出无数的光子
或者反射出无数的光子
这些光子在我们视网膜或者底片上成像
于是被我们看到了
但如果我们要观测的对象就是光子本身
那麻烦可就大了
这两个光子如果射到我们眼睛里
那它自然就不会跑到左缝里
也不会跑到右缝里
因为他们已经跑到我们眼睛里了
那有没有可能反射别的光子呢
很抱歉 不能
别的光子跟它长得一样
我们要探测的光子没有能力把别的光子反射出来
而自己的运动状态不受改变
就好像一颗子弹没法把另一颗子弹反弹出去一样
总之
要观测光子通过了左缝还是右缝
这个事非常常
但但理理家毕毕竟是物理学家
他们的探索精神不是常人能比的
他们很快发现
光有双缝干涉
一束电子流同样也有双缝干涉
一束电子流跟光一样具有剥璃二向性
要记录跟测量电子
就要比测量光子容易多了
因为电子不但有质量
而且带电大小也比光子大得多
我们大可以在双缝上各安装一个用来观测电子的设备
来看它到底通过了哪条缝
大多数物理学家都是为了证明哥本哈根解释有多么荒唐
而不辞辛劳的苦苦改良实验设备
一次一次提高精度
没日没夜的在实验室挥汗如雨
他们要拿出证据来说明
双份干涉实验中
电子是确定无疑的通过了某条缝
但结果怎样呢
好在我们的物理学家们都有诚实客观的本性
尽管他们是如此的厌恶哥本哈根解释
但是全世界的物理学家们都不得不承认
他们的实验表明
一旦在狭缝上安装了记录仪
他们确实可以观测到电子通过了某条缝
但怪异的是
一旦电子被观测到了
双缝干涉的条纹也就消失了
如果不去提前观测
双缝干涉的条纹又会神奇的出现
这就好像那个用光子当足球踢的实验中
一旦某人在某个墙缝上看到了足球
这个足球就不会再整齐的落在网的固定位置中
而一旦没有人去看这个足球到底飞过了哪道缝
这个足球又会神奇的出现在那些固定的位置上
这个事实实在太怪异了
物理学家们怎么都想不通
电子的行为怎么还跟观测有关呢
一旦观测
它就只通过一条狭缝
不产生干涉条纹
可不观测的时候
它就同时通过两条狭缝
并且留下干涉条纹
这实在太不可思议了
再打个比方
如果你用一杆冲锋枪瞄准了标靶
然后把冲锋枪用装置固定住
让枪自动开枪射击
枪枪都正中靶心
你会很满意
于是你换上了由电子制成的子弹
再次开枪射击
但是这次怪异的事儿出现了
如果你盯着标靶看
枪枪都命中靶心
可是你一旦背过身去不看靶子了
打了一梭子之后
你转头一看
发现子弹以靶心为圆心呈散状分布
你以为枪固定的装置出问题了
于是再盯着靶子打一次
发现枪也没动
可这次又变成了枪枪命中靶心
当你再次转过头去开枪
子弹又开始乱打了
这事儿已经远远超出了怪异的范围
简直让人抓狂
还记得爱因斯坦的世界观中说的那一个中心两个基本点吗
一个中心叫做因果律
两个基本点是定域跟实在
现在实在这个点上
爱因斯坦的理想宇宙的基本观点已经遭受了严重的质疑
这个实验居然再三的向物理学家们展示
跟我们的观测有关
电子似乎不再是一个超脱于我们意识而存在的客观存在了
他似乎是为我们而存在的
为我们而表演的
他的行为受到了我们看与不看的左右
爱因斯坦的世界观遭受了第一次最直接的冲击
波尔领衔的哥本哈根学派此时又站出来跟大家解释说
实验结果大家都看到了
我们也反复的做了电子干涉的双份实验
结果都是一样的
这说明电子必须符合不确定原理
也就是说
电子的运动轨迹是不确定的
它的运动轨迹不能用一根线来表示
只能用一朵概率云来表示
我们在观测之前
永远无法说出电子确切的位置
我们只能说出它在某一个位置的概率
当我们观测到电子以后
电子虽然处于确定位置
但它怎么到的这个位置
通过什么路径来到的
我们仍然不可能知道
事实上
这个电子同时存在于内朵概率云中的所有位置
并且
我们对电子的位置测量越准确
对于它的速度测量就越模糊
我们的测量行为本身会影响到电子的运动
反之
如果我们对它的速度测量的越精确
对它的位置必然测的就越模糊
换句话说
我们永远不可能同时知道一个电子的位置跟速度
因此
不确定性原理也叫做测不准原理
如果牛顿地下有知
听到了波尔这段话
必然从地底下蹦出来大骂波尔离经叛道
牛顿是坚定的决定论者
他认为只要知道了某一时刻的所有信息
就能预言未来发生的一切
然而
现在波尔很无情的告诉牛顿
对不起
你连最基本的速度跟位置信息都是永远无法准确测到的
又何谈计算跟预测呢
爱因斯坦也站出来反对说
波尔先生
很抱歉
本人实在不喜欢你这个解释
没有确切的运动轨迹
只有概率
这叫什么解释啊
你以为上帝是一个喜欢掷骰子的赌徒吗
时间跟空间都被你们拿到赌桌上来碰运气了
双方实验做的这一步已经够疯狂了
居然引出了一个不确定性原理
物质的最基本构成
电子以及所有跟电子差不多大小的基本粒子的行为都是不确定的
我们要么只能知道它在什么地方
要么只能知道它的运动速度
想同时知道两样
想都别想
但接下去的实验进一步告诉我们这一个道理
在量子世界里
没有最疯狂
只有更疯狂
物理学家们又几乎同时发现了一个更恐怖的结果
哪怕你是在电子已经通过了双缝实验之后
再去观测电子实际通过了哪条缝
当然
这个原理比较复杂
我们在这里不需要去搞清具体是用什么手段观测的
总之
你只要知道物理学家们有巧妙的方法可以观测就行了
哪怕通过了那条狭缝之后再去观测
干涉条纹一样也会消失
也就是说
让电子同时还是不同时通过双缝
是可以在电子实际通过缝以后再决定的
诡异
这真是太诡异了
这个实验直接违背了爱因斯坦的因果律
本来事情的原因影响结果
结果是原因导致的
现在好了
我们的事后观察行为
居然影响到电子之前做出的选择
这岂不是变成了结果影响原因了吗
难道历史是可以改变的吗
费曼辩护说
不是历史可以改变
而是历史本身就是有无数个可能发生的历史
实际上都已经发生了
这严重违背因果律
严重离经叛道
哥本哈根学派继续解释说
在我们看来
没有什么真正的因果
只有互补原理
原因跟结果是一种互补关系
而不是前后关系
你我既是演员
又是观众
观察者跟被观察者互相影响
形成互补关系
原因会影响结果
结果也一样会影响原因
这期就说到这儿
之后我们将会听到爱因斯坦真的坐不住了
他会跟波尔在物质的存在客观性上有n次的大战
希望到那会儿
汪杰老师的溃疡已经好了
我是卓老板
我是吴婷婷
我是汪杰
我们是科学声音啊
各位啊
非常抱歉啊
今天就没有结尾废话了
但是我还是要感谢一下周老板
还有吴金平老师啊
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