光的本質(zhì)是波還是粒子呢？

光的本質(zhì)是波還是粒子？

“光就像雨滴一樣，每一小塊光都被稱為光子，如果光都是一種顏色，那么所有的”雨滴“都是一樣的。— 理查德·費(fèi)曼

光是我們眼睛可以看到的一種能量。它是電磁輻射的一個(gè)更大家族的一部分，其中包括無線電波、X 射線等。當(dāng)我們談?wù)摽梢姽鈺r(shí)，我們談?wù)摰氖俏覀兛吹降念伾?，比如紅色和藍(lán)色。

電磁波譜

把光想象成波浪，每種顏色都有其特殊的波浪大小。我們能看到的波長從400到700納米不等。光以稱為光子的微小粒子的形式在空間中傳播，它們的行為既像波又像粒子。

這種波和粒子行為的混合是科學(xué)家喜歡在現(xiàn)代物理學(xué)中探索的東西?？梢姽獾姆秶ǔ?420 至 680 納米，但在某些條件下，人們可以看到至少 1,050 納米的紅外線。

年輕人甚至可能看到一些紫外線，小到大約310-313納米。所以，它就像一個(gè)五顏六色的波浪光譜，有些是我們可見的，有些是看不見的，不同的動(dòng)物根據(jù)這些波浪以獨(dú)特的方式看待世界。

測量光速的歷史努力

真空中的光速是一個(gè)基本常數(shù)，精確定義為每秒 299,792,458 米，大約每秒 186,282 英里。該定義與米相關(guān)聯(lián)，使其成為國際單位制 （SI） 中的固定值。所有形式的電磁輻射，包括光，在真空中以這種恒定速度傳播。

長期以來，科學(xué)家們一直對光的傳播速度感到好奇。早在17世紀(jì)，伽利略就試圖弄清楚這一點(diǎn)。然后，在1676年，一個(gè)名叫Ole R?mer的人用望遠(yuǎn)鏡觀察了木星的衛(wèi)星Io。

通過注意到其軌道的變化，他估計(jì)光穿過地球軌道大約需要22分鐘。如果他知道當(dāng)時(shí)地球軌道的大小，他得出大約每秒 227,000,000 米的速度。

這是 Fizeau 裝置的示意圖。光線在出路時(shí)從牙齒的一側(cè)通過，在返回途中從另一側(cè)通過，假設(shè)齒輪在光的傳輸過程中旋轉(zhuǎn)一個(gè)牙齒。

1849 年，Hippolyte Fizeau 實(shí)現(xiàn)了更準(zhǔn)確的測量。菲索將光束對準(zhǔn)幾公里外的一面鏡子，并使用旋轉(zhuǎn)的齒輪測量光速為每秒 313,000,000 米。

1862年，萊昂·?？翷éon Foucault使用旋轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并獲得了每秒298,000,000米的值。

從1877年到1931年，阿爾伯特·邁克爾遜（Albert A. Michelson）使用改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)鏡進(jìn)一步完善了這些測量結(jié)果。

1926 年，他從威爾遜山到加利福尼亞州的圣安東尼奧山進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以每秒 299,796,000 米的速度精確測量光速。

光如何塑造我們對世界的感知？

在7500萬光年外的照片中觀察星系意味著你看到的不是它目前的狀態(tài)，而是當(dāng)你看到的光在7500萬年前離開時(shí)它的存在。

這意味著這張照片捕捉到了恐龍是地球上占主導(dǎo)地位的生命形式的銀河系，而你只是那個(gè)時(shí)代微型哺乳動(dòng)物小腦袋中的一個(gè)概念。

你可能熟悉這樣的想法：當(dāng)你看到7500萬光年外的星系的照片時(shí)，你看到的不是現(xiàn)在的樣子，而是7500萬年前光開始旅行時(shí)的樣子。發(fā)生這種情況是因?yàn)楣庑枰獣r(shí)間來傳播，而光速是有限的。

所以，當(dāng)你看著遠(yuǎn)處的物體時(shí)，你實(shí)際上是在回顧過去。想想星系在數(shù)百萬年的時(shí)間里演化是很有意思的，但這里有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)——你不需要數(shù)十億光年外的星系來體驗(yàn)這種時(shí)間旅行的概念。

在日常生活中，它無處不在。你基本上被時(shí)間的流動(dòng)所吸引，你和你所看到的任何東西之間的距離會(huì)影響你對時(shí)間的感知。

想象一下，你正在看兩米外的一把椅子。從那把椅子發(fā)出的光只用了十億分之六秒（納秒）就能到達(dá)你的眼睛。

這是很短的時(shí)間，但這里有一個(gè)問題：當(dāng)你看到事物時(shí)，你看到的是它們，就像光線離開它們時(shí)一樣。

你永遠(yuǎn)無法看到現(xiàn)在的世界。現(xiàn)在，想想一米外的一張桌子。這張桌子發(fā)出的光只花了三納秒就到達(dá)了你，因?yàn)樗x椅子的距離只有一半。

盡管椅子和桌子似乎在你的當(dāng)下，但你看到的“現(xiàn)在”是來自過去不同時(shí)刻的光線的混合。你的“現(xiàn)在”就像一個(gè)由重疊的“然后”組成的拼圖。

把你的世界想象成一條拼湊而成的被子，由散落在不同時(shí)間線上的時(shí)刻縫合在一起?；钤诋?dāng)下不僅僅是體驗(yàn)事物的本來面目。

這就像展開一幅用過去的線編織的掛毯。你周圍的一切——椅子、桌子、房子，甚至月亮和星星——都有其獨(dú)特的歷史。

但是，當(dāng)你置身于這種不拘一格的混合之中時(shí)，它們都會(huì)聚集在一起，塑造你稱之為生命的轉(zhuǎn)瞬即逝的時(shí)刻。奧秘在于創(chuàng)造一個(gè)現(xiàn)實(shí)，從你活在當(dāng)下的強(qiáng)大幻覺中不可否認(rèn)地感覺真實(shí)。

慢動(dòng)作中的光

在各種含有普通物質(zhì)的透明物質(zhì)中，光速比在真空中慢。例如，在水中，光在真空中以大約四分之三的速度傳播。

銣原子氣體的速度分布數(shù)據(jù)，證實(shí)了物質(zhì)的新相——玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的發(fā)現(xiàn)。

左圖——就在玻色-愛因斯坦凝聚體出現(xiàn)之前。

中 — 緊接冷凝水出現(xiàn)后。

右 — 進(jìn)一步蒸發(fā)后，留下幾乎純凈的冷凝物樣品。

有報(bào)道稱，兩個(gè)獨(dú)立的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)聲稱，通過將光通過元素銣的玻色-愛因斯坦凝聚物，使光“完全靜止”。

一個(gè)團(tuán)隊(duì)來自哈佛大學(xué)和馬薩諸塞州劍橋的羅蘭科學(xué)研究所，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)來自同樣位于劍橋的哈佛-史密森尼天體物理中心。

然而，重要的是要澄清，在這些實(shí)驗(yàn)中，光被“停止”的流行概念是指在原子的激發(fā)態(tài)中存儲(chǔ)光的過程。

然后，當(dāng)?shù)诙€(gè)激光脈沖刺激時(shí)，這種存儲(chǔ)的光會(huì)在以后的時(shí)間重新發(fā)射。值得注意的是，在它被“停止”的那段時(shí)間里，它已經(jīng)不再像光一樣發(fā)揮作用。

光壓動(dòng)力學(xué)

當(dāng)光線照射到液體表面時(shí)，其中一些會(huì)反彈回來，其余的會(huì)通過。最近的實(shí)驗(yàn)首次揭示了液體的表面向內(nèi)彎曲。這意味著光對流體施加壓力。圖片來源：Zhang， et al.

光對其路徑上的物體施加物理壓力，這種現(xiàn)象可以用麥克斯韋方程組來解釋，但通過光的粒子性質(zhì)更容易理解。

在這種情況下，光子與物體碰撞，傳遞它們的動(dòng)量。光施加的壓力是通過將光束的功率除以光速來計(jì)算的。

然而，由于 c 的數(shù)量級(jí)很高，光壓對日常物體的影響通?？梢院雎圆挥?jì)。理論上可以翻動(dòng)一分錢的硬幣，但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要一個(gè)不切實(shí)際的數(shù)字——大約300 億個(gè) 1 毫瓦激光筆！

然而，在納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）等納米級(jí)應(yīng)用中，光壓的影響變得更加顯著。研究人員積極探索利用光壓來驅(qū)動(dòng)NEMS機(jī)制和切換集成電路中納米級(jí)物理開關(guān)的方法。

在更大的尺度上，輕微的壓力會(huì)影響小行星的旋轉(zhuǎn)，使它們旋轉(zhuǎn)得更快，就像風(fēng)車葉片一樣，形狀不規(guī)則。此外，目前正在研究開發(fā)可以在太空中推動(dòng)宇宙飛船的太陽帆的概念。

由于光壓的作用，阿爾伯特·愛因斯坦在1909年預(yù)言了“輻射摩擦”的存在，這與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)相反。

在他的解釋中，他指出輻射對板的兩側(cè)施加壓力。如果板是靜止的，則兩側(cè)的壓力相等。

但是，如果板在運(yùn)動(dòng)中，則在面向運(yùn)動(dòng)方向的表面（前表面）上反射的輻射比在另一側(cè)（背面）反射的輻射更多。

這種壓力的不平衡會(huì)產(chǎn)生一種力，阻礙板的運(yùn)動(dòng)并隨著其速度的增加而增加。愛因斯坦將這種合力稱為“輻射摩擦”。

通常，光的動(dòng)量與其運(yùn)動(dòng)方向一致。然而，在像倏逝波這樣的情況下，動(dòng)量與傳播方向是橫向的。

光如粒子

微粒理論的思想認(rèn)為，光是由稱為“微?！钡奈⑿×Ｗ咏M成的，這些粒子總是沿直線運(yùn)動(dòng)。

皮埃爾·加森迪Pierre Gassendi喜歡稱為原子的微小粒子的想法，他在1660年代提出光是由這些粒子組成的。

這個(gè)想法后來得到了艾薩克·牛頓的支持。他認(rèn)為光粒子從光源向各個(gè)方向發(fā)出，當(dāng)波彎曲時(shí)會(huì)抑制波的行為，并且光會(huì)直線傳播。他的理論解釋了表面反射，但在光線彎曲穿過材料方面遇到了困難。

牛頓認(rèn)為，由于更強(qiáng)的引力，輕粒子在密度較大的物質(zhì)中加速，記錄在1704年的“Opticks”中。

盡管它很受歡迎，但這一理論面臨著挑戰(zhàn)，特別是在解釋偏振等現(xiàn)象方面——光波是如何排列的。

艾蒂安-路易·馬魯斯étienne-Louis Malus和讓-巴蒂斯特·比奧Jean-Baptiste Biot在1810年和1812年使用數(shù)學(xué)來支持牛頓的極化粒子理論。當(dāng)時(shí)，許多人將偏振視為支持光粒子性質(zhì)的證據(jù)。

光如波

羅伯特·胡克Robert Hooke在他1665年的著作《顯微文字》Micrographia中發(fā)展了一種“脈沖理論”來解釋顏色的起源。他在觀察九中將光的傳播比作水中的波浪。

到1672年，胡克提出光的振動(dòng)可以垂直于其傳播方向?？死锼沟侔病せ莞笴hristiaan Huygens于1678年提出了光的數(shù)學(xué)波動(dòng)理論，并將其發(fā)表在1690年的著作《光論》中。

惠更斯提出，光在他稱之為發(fā)光以太的介質(zhì)中以一系列波的形式向各個(gè)方向發(fā)射。根據(jù)這一理論，由于波不受重力的影響，因此假設(shè)它們在進(jìn)入密度較大的介質(zhì)時(shí)會(huì)減慢速度。

托馬斯·楊Thomas Young在1800年提出的光波動(dòng)理論預(yù)測，光波可以相互干擾，就像聲波一樣。楊的衍射實(shí)驗(yàn)表明，光的行為表現(xiàn)為波。

棱鏡分散光線，描繪了各種波長的光

他還提出，不同波長的光會(huì)產(chǎn)生不同的顏色，用眼睛中的三色受體來解釋色覺。波浪理論的支持者萊昂哈德·歐拉（Leonhard Euler）在1746年認(rèn)為，衍射可以更好地用波來解釋。

1816年，安德烈-瑪麗·安培（André-Marie Ampère）與奧古斯丁·讓·菲涅耳Augustin-Jean Fresnel分享了一個(gè)想法，即如果光是橫波，則可以用波動(dòng)理論來解釋光的偏振。

菲涅耳獨(dú)立地發(fā)展了他的光波動(dòng)理論，并于 1817 年將其提交給科學(xué)院。西蒙·丹尼斯·泊松SiméonDenis Poisson為菲涅耳的工作增添了新的內(nèi)容，為支持波動(dòng)理論并挑戰(zhàn)了牛頓的微粒理論創(chuàng)造了令人信服的論據(jù)。

光的偏振

到1821年，菲涅耳在數(shù)學(xué)上證明，只有當(dāng)光完全橫向，沒有任何縱向振動(dòng)時(shí)，偏振才能用波動(dòng)理論來解釋。然而，波動(dòng)理論的弱點(diǎn)是需要一種類似于聲波的介質(zhì)。

惠更斯在1678年提出的稱為發(fā)光以太的假想物質(zhì)在19世紀(jì)后期由于邁克爾遜-馬利實(shí)驗(yàn)而受到質(zhì)疑。

牛頓的微粒理論表明，光在密度較大的介質(zhì)中傳播得更快，而波動(dòng)理論則相反。當(dāng)時(shí)，精確測量光速具有挑戰(zhàn)性。

萊昂·?？拢↙éon Foucault）在1850年實(shí)現(xiàn)了足夠精確的測量，支持了波動(dòng)理論，并導(dǎo)致了經(jīng)典粒子理論的放棄，直到20世紀(jì)才部分重新浮出水面。

橋接光和電磁

法拉第旋轉(zhuǎn)器是一種利用法拉第效應(yīng)旋轉(zhuǎn)光偏振的裝置。當(dāng)光在沿其長度存在靜態(tài)磁場的情況下穿過材料時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種效應(yīng)。

1845年，邁克爾·法拉第Michael Faraday做出了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，稱為法拉第旋轉(zhuǎn)。當(dāng)磁場的方向影響偏振光穿過某些材料的方式時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。

法拉第認(rèn)為這表明光和電磁之間存在聯(lián)系。1846年，他猜測光可能是沿著磁力線傳播的擾動(dòng)。然后，在1847年，他提出光是一種電磁學(xué)的高頻振動(dòng)，即使沒有像以太這樣的介質(zhì)，也可以移動(dòng)。

電磁輻射由電磁波組成，電磁波是電場和磁場的同步振蕩

法拉第的想法啟發(fā)了詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）研究電磁輻射和光。麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電磁波可以以恒定的速度在太空中傳播，與光速相同。

他在 1862 年寫了這篇文章，并于 1873 年出版了《電與磁論》，用數(shù)學(xué)解釋了電場和磁場，稱為麥克斯韋方程組。海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）后來通過在實(shí)驗(yàn)室中制造和檢測無線電波證實(shí)了麥克斯韋的理論，表明這些波的行為類似于可見光。

普朗克、愛因斯坦和光量子的誕生

1900年，馬克斯·普朗克提出了一個(gè)開創(chuàng)性的想法來解釋黑體輻射。他認(rèn)為，雖然光的行為像波，但它只能獲得或失去與其頻率相關(guān)的離散能量。

普朗克將這些離散的光能包命名為“量子”，源自拉丁語，意思是“多少”。阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）在1905年利用光量子的概念來闡明光電效應(yīng)，提出這些量子具有有形的存在。

1923年，亞瑟·霍利·康普頓（Arthur Holly Compton）證明，在從電子散射的低強(qiáng)度X射線中觀察到的波長偏移，稱為康普頓散射，可以用X射線的粒子理論來解釋，而不是波動(dòng)理論。

1926年，吉爾伯特·劉易斯（Gilbert N. Lewis）為這些光量子粒子創(chuàng)造了“光子”一詞。

歸根結(jié)底，現(xiàn)代量子力學(xué)理論在某種意義上將光描繪成粒子和波，同時(shí)也承認(rèn)它是一種現(xiàn)象，并不完全屬于任何一類。

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為光是可以用數(shù)學(xué)來描述的東西，適合于粒子或水波等宏觀隱喻，但它仍然是無法完全掌握的東西。

例如，電磁輻射，包括參與康普頓散射的無線電波和X射線，在較低頻率下表現(xiàn)出類似于經(jīng)典波的行為，在較高頻率下表現(xiàn)出類似于經(jīng)典粒子的行為，但并不完全符合任何一種模型。

可見光落在中頻范圍內(nèi)，可以使用波或粒子模型或有時(shí)兩者兼而有之進(jìn)行實(shí)驗(yàn)描述。

2018年2月，科學(xué)家報(bào)告發(fā)現(xiàn)了一種新形式的光，可能涉及極化激元。這一發(fā)現(xiàn)為量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展帶來了希望。

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員在一張快照中捕捉到光的雙重性質(zhì)

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院EPFL的科學(xué)家們已經(jīng)成功地捕捉到了這種雙重行為的首次快照。

在一項(xiàng)開創(chuàng)性的方法中，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員成功地拍攝了有史以來第一張同時(shí)展示波和粒子特性的光快照。這一重大成就已發(fā)表在《自然通訊》上。

在洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的Fabrizio Carbone的領(lǐng)導(dǎo)下，一個(gè)研究小組進(jìn)行了一項(xiàng)開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)，使用電子對光進(jìn)行成像。在一個(gè)非凡的轉(zhuǎn)折中，研究人員成功地捕捉到了同時(shí)表現(xiàn)出波和粒子特征的光的單一快照。

在實(shí)驗(yàn)中，一束小激光照射到一根細(xì)小的金屬線上，使其帶電粒子振動(dòng)。就像高速公路上的汽車一樣，光線沿著電線雙向傳播，在波浪相遇的地方產(chǎn)生駐波。

這個(gè)駐波成為光源，在導(dǎo)線周圍傳播。為了捕獲它，電子流被發(fā)送到靠近導(dǎo)線的地方，與受限光相互作用。

電子要么加速，要么減速，通過使用超快顯微鏡來跟蹤這一點(diǎn)，科學(xué)家們可以看到駐波，表明光的作用就像波一樣。

這種現(xiàn)象不僅說明了光的波狀特性，同時(shí)也展示了其粒子性質(zhì)。當(dāng)電子靠近駐波時(shí)，它們會(huì)與光的粒子或光子相互作用。

這種相互作用會(huì)影響它們的速度，導(dǎo)致它們移動(dòng)得更快或更慢。速度的變化被觀察到為電子和光子之間的能量“包”（量子）的交換，表明納米線上的光表現(xiàn)為粒子。

Fabrizio Carbone表達(dá)了該實(shí)驗(yàn)的重要性，他說：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，我們第一次可以直接拍攝量子力學(xué)及其悖論性質(zhì)。

通過雙縫探究光的本質(zhì)

是波還是粒子？

很久以前，科學(xué)家們就光爭論不休——有人說它是波浪（就像水中的漣漪），也有人說它是微小的粒子。

為了解決這個(gè)問題，一個(gè)名叫托馬斯·楊（Thomas Young）的聰明人在1801年進(jìn)行了雙縫實(shí)驗(yàn)。

現(xiàn)在，想象一下你有一堵有兩個(gè)縫隙的墻。如果你向它扔石頭（顆粒），你會(huì)期望另一邊有兩堆石頭，對吧？

好吧，楊用光做到了這一點(diǎn)。但他得到的不是兩堆，而是波浪形的圖案，就像池塘里的漣漪。這很奇怪，因?yàn)檫@意味著光的行為像波，而不是粒子?；莞梗莻€(gè)浪潮家伙，似乎在做些什么。

現(xiàn)在，快進(jìn)到今天，我們?nèi)匀粺o法理解它。就連超級(jí)聰明的物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼Richard Feynman也稱其為量子物質(zhì)的一大謎團(tuán)。

雙縫實(shí)驗(yàn)不斷告訴我們，光，甚至物質(zhì)，都無法決定它們是波還是粒子——就像他們和科學(xué)家玩了 200 多年的捉迷藏一樣！

為了進(jìn)一步解釋，想象一下將光線照射在具有兩個(gè)平行狹縫的墻壁上，為簡單起見，讓我們假設(shè)這束光只有一個(gè)波長。

當(dāng)光線穿過狹縫時(shí)，每個(gè)狹縫基本上都成為新的光源。在屏障的另一側(cè)，來自每個(gè)狹縫的光衍射并與來自另一個(gè)狹縫的光結(jié)合，從而產(chǎn)生干擾。

雙縫實(shí)驗(yàn) 圖片來源：PASCO

根據(jù)石溪大學(xué)的說法，任何波，無論是聲波、光波還是水中的波，都會(huì)產(chǎn)生干涉圖案。當(dāng)波峰遇到波谷時(shí)，它們會(huì)相互抵消，稱為相消干涉，從而產(chǎn)生暗帶。

相反，當(dāng)波峰遇到波峰時(shí)，它們會(huì)相互放大，稱為相長干涉，形成明亮的波段。暗帶和亮帶的組合形成了在狹縫對面的傳感器屏幕上可見的干涉圖案。

這種干涉模式為楊提供了得出結(jié)論所需的證據(jù)，即光的行為為波，這與牛頓關(guān)于它是粒子的建議相矛盾。

如果您要使用沙?；蚱渌w粒來復(fù)制實(shí)驗(yàn)，并將它們穿過狹縫。

然而，故事并沒有就此結(jié)束。光稍微復(fù)雜一些，要真正理解它的奇怪之處，我們還需要探索粒子會(huì)在傳感器場上產(chǎn)生什么圖案。

如果您要使用沙?；蚱渌w粒來復(fù)制實(shí)驗(yàn)并將它們穿過狹縫，您將在傳感器屏幕上觀察到明顯的圖案。每個(gè)通過狹縫的粒子最終都會(huì)排成一條線，大致位于相同的位置（根據(jù)粒子穿過狹縫的角度略有分布）。

波和粒子產(chǎn)生明顯不同的模式，這使得區(qū)分兩者似乎很簡單，對吧？

好吧，當(dāng)嘗試使用被稱為光子的微小光粒子進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)時(shí)，雙縫實(shí)驗(yàn)發(fā)生了有趣的轉(zhuǎn)折，將我們帶入了量子力學(xué)的特殊領(lǐng)域。

光子是光中最微小的組成部分，是亞原子粒子。在原子尺度上進(jìn)行雙縫實(shí)驗(yàn)涉及使用光子而不是沙粒。

當(dāng)你關(guān)閉一個(gè)狹縫并射出光線時(shí)，它看起來像屏幕上的微小顆粒。這表明光的行為類似于粒子。

但是，如果你打開兩個(gè)狹縫，你會(huì)看到一個(gè)干涉圖案，就像波浪一樣。現(xiàn)在，如果你一個(gè)接一個(gè)地發(fā)送光子，期待粒子或波，就會(huì)發(fā)生一些奇怪的事情。

最初是隨機(jī)的，它們最終會(huì)形成干涉圖案。每個(gè)光子都像波的一部分，即使它們一次發(fā)送一個(gè)。就好像每個(gè)光子都以某種方式“知道”有兩個(gè)狹縫。

如何？它是否一分為二，在狹縫后重新連接，然后撞擊傳感器？為了進(jìn)行調(diào)查，科學(xué)家們設(shè)置了一個(gè)探測器來確定光子穿過哪個(gè)狹縫。

當(dāng)我們一個(gè)接一個(gè)地發(fā)射光子時(shí)，探測器顯示每個(gè)光子都經(jīng)過一個(gè)狹縫。沒什么大驚喜的。但是當(dāng)我們檢查屏幕時(shí)，就像粒子被發(fā)送了，而不是波。觀察光子使它們像粒子一樣行動(dòng)，而不是形成波狀圖案。

現(xiàn)在，如果我們保留探測器但偷偷關(guān)閉它，就會(huì)發(fā)生一些奇怪的事情。相同的設(shè)置和相同的光子，但現(xiàn)在它們創(chuàng)造了一個(gè)類似波的圖案，而不是粒子圖案。

當(dāng)我們不看時(shí)，原子似乎像波浪一樣起作用，但當(dāng)我們觀察它們時(shí)，它們會(huì)變成粒子。如何？這是諾貝爾獎(jiǎng)的謎團(tuán)。

《維格納的朋友》是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。維格納把他的朋友和貓放在盒子里。外部觀察者認(rèn)為系統(tǒng)處于“死”和“活”的混合狀態(tài)。

然而，維格納的朋友認(rèn)為這只貓還活著。問題是，為什么維格納和他的朋友對波函數(shù)有不同的看法？

在 1930 年代，有人認(rèn)為人類意識(shí)可以影響量子力學(xué)。

數(shù)學(xué)家約翰·馮·諾依曼John Von Neumann在他1932年出版的《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics一書中首次提出了這一點(diǎn)。

在1960年代，理論物理學(xué)家尤金·維格納Eugene Wigner引入了一個(gè)被稱為“維格納的朋友”的思想實(shí)驗(yàn)，這是量子物理學(xué)中的一個(gè)悖論，描述了參與實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)人的狀態(tài)。

這個(gè)想法表明，實(shí)驗(yàn)者的意識(shí)可以影響結(jié)果，被稱為馮·諾依曼-維格納解釋。雖然精神上的解釋仍然得到少數(shù)人的認(rèn)可，但科學(xué)界的大多數(shù)人卻不屑一顧。盡管研究仍在進(jìn)行中，但科學(xué)家們還沒有找到一個(gè)更合理的理論。

對于一個(gè)更合理的理論，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)自己感到困惑。此外，更令人驚訝的是，如果你安排雙縫實(shí)驗(yàn)來檢測光子在撞擊傳感器屏幕后穿過哪個(gè)狹縫，即使光子撞擊屏幕時(shí)沒有被檢測到，屏幕上仍然會(huì)出現(xiàn)類似粒子的圖案。

這一結(jié)果表明，未來檢測光子會(huì)影響它過去在屏幕上創(chuàng)建的圖案。這個(gè)實(shí)驗(yàn)被稱為量子橡皮擦實(shí)驗(yàn)，在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的這段內(nèi)容豐富的視頻中得到了更詳細(xì)的闡述。

對物質(zhì)的粒子波二象性如何運(yùn)作的完整理解仍然難以捉摸，這標(biāo)志著它是量子力學(xué)中深刻的奧秘之一。

審核編輯：劉清