世界不思議

一個簡單的物理實驗,揭示了光的特性,也發生了讓人害怕的現象

宇宙的極限根據引力常數,光速和普朗克常數,科學家計算出了宇宙中最小的距離單位“普朗克長度”,從理論上來說,比這個單位更小的距離是不存在的,如果進入到比這個數值還小的距離內,一切物理常識就會失去意義。我們熟知的量子,其實就是能量的最小組成部分,一束光線就是由無數1普朗克長度的光量子組成的,在達到這個距離單位後,我們常識中的經典力學就不再適用,同時引力和時空的概念也不復存在。

普朗克從年輕到年老的照片

普朗克長度遠遠小於原子核的長度,而在相對論中不可避免的會給宇宙大爆炸的模型中提供一個“零點”,也就是一切時空的開端,有人戲稱這個開端就是上帝的容身之所,但是量子力學給了我們另外一種可能性,既然距離單位存在最小的極限值,那麼時間單位相對也存在一個最短的“普朗克時間”,普朗克時間見證和度量的宇宙大爆炸後的最短時間間隔——10的負43次方秒。想要再縮短這個時間去探索宇宙的起點,是不可能的事情,因為超過這個極限,我們的各種理論都會失去作用,因此人類永遠無法尋找到宇宙的起點,所謂的上帝也就無法存在。

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光,究竟是什麼?在宇宙中,一切的基本組成單元都有兩種狀態,“波”和“粒子”,1905年愛因斯坦提出的光電效應中對光量子進行瞭解釋,讓世人認識到,光既可以是光波,也可以是粒子,而在1924年,德布羅意提出了物質波理論,也就是我們熟知的波粒二象性,再次刷新了人類對光的認知。其實對於光線的研究,早在古希臘時代古代哲學家就有了相當多的研究和理論,但是在隨後的數千年時間中,對於光的認知並沒有越來越深入,只停留在表明和一些現像中,直到17世紀,針對光線材的兩種不同解釋開始產生了分歧,也就是“波動說”和“粒子說”,在《上帝不擲骰子》一書中,巧妙地把這一段爭端稱為“微波戰爭”。

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隨著研究的深入,我們發現宇宙並不是和我們想像的一樣,說一就是一,說二就是二,粒子和波的理論都不能完全描述一些粒子和量子的狀態,有時候從微觀上來看,這個例子確實存在,但是從宏觀上來看,這個粒子又具備波的特徵。正是因為如此,想要瞭解量子力學,必須擺脫傳統觀念的束縛,擺脫經典力學中機械宇宙的觀點,才能理解一切都不確定的量子宇宙。

調皮的光子在關於光的實驗中,“雙縫實驗”十分著名,這個實驗可以向我們證明光的兩種狀態確實是同時存在的,並且這個實驗也並不複雜,由一個可發射光或者電子的發射器,以及一個設置了兩個通道的木板,最後再加上一個可以顯示光線和電子痕跡的屏幕。

在發射器發射不斷髮射光子後,後面的屏幕會出現一些明顯的痕跡,在這些痕跡中我們可以明顯地看到,光子相互“干涉”後留下的波紋。當然,連續不斷且數量不少的光子不斷通過兩個通道,是很難證明光的特性的。1909年,一位科學家針對這個實驗做出了修改,保證在同樣的時間間隔中,只有一個光子被發射出來,在進行比對後發現,即使只有一個光子被發射出來,屏幕上仍然有乾涉條紋,也就是說這一個光子,同時通過了兩個通道,自己對自己產生了乾涉。這個實驗很好的正面了光子的量子特性。在隨後的研究中,電子也被證明存在同樣的特性,更加神奇的是,不僅僅是光子和電子,原子核分子也具備這樣的量子特性,難道宇宙的本質真的是不確定性,一切都是非決定性的隨機事件嗎?讓人“毛骨悚然”的雙縫實驗隨著科學的發展,有科學家在這個實驗中增加了一個環節,防止幾個攝像頭,來觀察一個光子是如何從粒子轉變為波的形態,或許可以幫助我們更好的理解神奇的量子現象,但是在加入了攝像頭後,科學家驚人的發現,光子居然以粒子的狀態安安穩穩的通過了通道,沒有在屏幕上留下乾涉條紋。在多次實驗後科學家發現,似乎只要人類主動觀察,這些光子的狀態就不會發生變化。在自然界中,大部份量子也有同樣的性質,如果不主動觀察,我們就無從知道量子的狀態,也就是說在沒有觀察者存在的情況下,量子的狀態是粒子和波這兩種狀態共存的,就像是薛定諤的貓一樣,如果沒有一個觀察者出現,我們永遠無法知道這個貓是死還是活。

但是一個觀察者出現後,這個量子的狀態就會被確認,通常情況下也不會再發生變化,因此被觀察後的量子,就會發生“量子坍塌”,不確定性被觀察者變成了確定。在經典力學中,觀察者並不會對任何現象造成影響,但是在量子力學中,觀察者的存在似乎對宇宙有著很大的影響。這個答案確實會讓人感覺“毛骨悚然”,人類的主觀意識真的會對宇宙的發展和狀態產生影響嗎?這個觀點絲毫有些不唯物主義,但是又確實存在於我們的宇宙中,或許這些問題,只是人類現在的科學理論不夠完善,在未來人類會找到更加完善的理論來解釋這些神奇的現象。

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