比雙縫實驗更恐怖,貝爾不等式檢測,世界真實存在性迎來終極判決

如何確定 事物的真實性?物理學中將這樣的研究問題放到了 物質運動本身上去研究,我們所有一切感知到的現象都是這個世界的真實運作表現。

無論是聽到的聲音,還是看見的光線變化,這些都是能夠從事物 最基本的粒子運動方面進行解釋。當量子力學發展后,物理研究卻在事物的 真實性上犯了難,這是為什麼?

物質的運動確定事物的真相?

量子力學中的雙縫實驗向人們展示了 粒子的疊加態,雙縫實驗的結果令科學家大吃一驚,事物的運動狀態居然是 觀察之后才有的

隨后幾十年的發展中, 貝爾不等式的出現又將量子力學推向了新的研究中,甚至體現在哲學命題里,即何為自由意志。

量子力學中的雙縫實驗

雙縫干涉實驗是什麼?它揭示了何種物理現象?為什麼「雙縫實驗」讓科學家們感到震驚?貝爾不等式又是什麼?本文接下來將從雙縫實驗、量子力學、貝爾不等式這幾個方面去 解答這些問題,比雙縫實驗 更恐怖的是貝爾不等式檢測,為什麼對世界真實存在性進行了終極判決?

雙縫干涉

我們先來聊聊 雙縫實驗,這是一種展示光子或電子等微觀物體波動性與粒子性的實驗。實驗準備非常簡單,只要一塊帶有雙縫的不透明板和能夠發出光束的設備,然后將光束射向這塊雙縫板,就能看到穿過縫隙后的光線。(縫隙只有 0.7毫米

雙縫實驗的設備

按照經典物理體系下的假設,如果 光束是由經典粒子組成,那麼光束在照射進細縫后,經過細縫后的光束會 沖擊探測屏。然后通過觀察,應該就能看到與縫隙形狀與之 相對應的光斑圖

但事實上并不是這樣,光束在穿過縫隙后并沒有形成完整的對應圖形,而是出現了 兩倍光強度的圖像,并且還出現了許多小的干涉條紋。為了闡述這種現象,科學家認為亮度的變化可以用波的相長干涉與相消干涉兩種機制來解釋,這意味著 光是一種振動波

雙縫實驗打開了新世界

不過到了20世紀,光電效應的理論突破給光的物理行為帶來了另一種解釋,即 光是一種粒子,光的行為實際上就是粒子的行為。但科學界那時認為粒子和波的行為 應該是有所區別的。

那麼光到底是波還是粒子呢?

為了更好地解答這個問題,科學家設計了一種 更為精妙的雙縫干涉實驗。他們將光束 縮減至最小,然后極大地降低光子的活動和數量,這樣光子就可以一個一個地通過縫隙,按照平時的想象,如果是單獨的光子總不至于出現被干涉的情況吧。

然而實驗結果 再次讓科學家們大吃一驚,雖然每次 只有一個光子通過縫隙,但是這些光子可以同時通過兩條縫隙,并出現單獨的光子自己干涉自己的行為。

科學家在后來的研究中發現,量子力學可以 精確地預測粒子抵達探測屏的任意位置的機率密度,但是無法預測在什麼時候,哪個位置會有粒子到達。

一個光子能通過兩條縫隙

這意味著粒子的 抵達事件是不可知的,物理學家不愿意接受這個事實,同時科學家也在思考為什麼一個粒子能夠同時經過兩條縫隙。對此實驗又進行了一次升級,科學家準備直接對通過縫隙的光子進行觀察,來看一看光子到底出現了怎麼樣的變化。結果 恐怖的事情出現了,如果進行直接觀察,光子的這種問題消失了,光斑也變成了 簡單的光線。為什麼會這樣?

疊加態和不可預知

量子力學解釋為這是粒子的疊加態和測量所導致的坍塌, 簡單地來解釋就是,粒子在進行觀察之前存在各種方向的運動狀態。當觀察者進行觀察時,原本的測量也導致了粒子運動的坍塌,這種運動狀態就被確定了。這在后來也被稱作為「 測不準原理」。

海森堡的測不準原理

當時科學界有兩位物理明星,一個是 愛因斯坦,一個是 玻爾。愛因斯坦認為這 不符合物理邏輯,同時也證明了量子力學并不完美,它不能很好地解釋粒子的運動。

但玻爾卻認為量子力學不會用不恰當的經典概念來解釋這種現象, 量子力學會尋找新的概念來解釋這些問題。愛因斯坦認為要解釋這個現象應該存在一個 局部隱變量的問題,這種隱變量干涉整個過程,導致結果出現改變。

一個是愛因斯坦,一個是玻爾都是物理界的天才

之所以愛因斯坦和玻爾會出現這樣的爭執,是因為在愛因斯坦的研究中,他認為物質的 屬性是事先就確定好的,和 觀測沒有關系。而玻爾認為物質的 屬性并不是事先確定的,只有當人們 進行觀察時才會進行確定

局部隱變量正是愛因斯坦對自己的定域性假設 做出的一種完善,不少科學家都認為一個物理理論對事物本質的描述是 完備的,因此物理現象的每個要素 都存在相應的對應量,這也是愛因斯坦認為量子力學并不完善的一個地方。

而到了量子力學研究的中期階段, 量子糾纏的發現更是讓愛因斯坦對量子力學感到不可理喻,由此批判了以玻爾為代表的量子力學研究人物。定域論只允許某個區域的事件不超過光速運動進行傳遞,然而量子糾纏卻 不遵循這種原理

愛因斯坦把量子糾纏稱為「鬼魅」一樣的超遠距離作用

一直到愛因斯坦去世后,量子力學的這個問題仍然沒有得到很好的應驗解答,直到 貝爾將自己的局部隱變量公式公布出來,也就是 貝爾公式

結果是否存在,世界是否真實?

愛因斯坦和玻爾的爭論可以理解為 「出生確定」和「觀測確定」,在貝爾對量子糾纏進行了更深入的分析后,他推斷測量結果取決于每一半內隱藏變量的假設, 局部隱變量模型可以重現量子力學的預測。但之后他證明這不能普遍成立,這便是后來的 貝爾公式

貝爾公式

換句話說,貝爾證明了 定域性和隱變量不相容。如果一個隱變量定理是 正確的,那麼一定出現一個滿足物理現象,一個會限制物理現象。如果該不等式給出的這個限制不滿足,那麼就 不存在正確的隱變量

貝爾

另一方面來看,量子力學和貝爾公式 顛覆了人們尋常的認知,結果先于原因,并沒有所謂的預測,一切的結果只是人們的 觀察所導致,世界的真實存在性迎來了終極判決。貝爾不等式還說明了一個問題, 局域性和實在性至少有一個有問題,或者兩個都有問題,不可能同時存在,這在后來也證明了量子力學中的 不可觀測性

現在關于量子力學中的這種不可預知和不可確定,放在現實中就像是我們 每個人的活動,每個選擇帶來的結果都是 隨機的,只有當我們確實觀察到事件本身,這件事才存在。

因此這個問題也被上升到哲學層面的思考,我們生活的世界究竟是否是真實的?

這一切或許都是模擬出來的,客觀世界確實存在,但是 未來不可預測


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