雙縫干涉能用網球做實驗嗎
我們知道自然界中最小的粒子會表現出一些非常奇怪的方式，這些粒子包括光子、電子、原子，甚至是一些分子。雙縫實驗表明，它們在不被測量時表現得像概率波。非常奇怪的是，在測量時，這些概率波會坍縮，從而變成不同的粒子。我們還從延遲選擇量子擦除器等實驗中看到，兩個粒子可以糾纏在一起，這意味著即使粒子在時空中被分開，它們似乎也通過共享一個概率波以某種方式緊密相連。
科學家們已經在大到包含數百個原子的分子中展示了量子行為。那麼究竟多大的粒子可以仍然表現出量子行為？如果我把成千上萬個網球扔進一個雙縫裡，後面有一個屏幕記錄球擊中屏幕時的位置，我會看到與電子或原子相同的結果嗎？答案是當然不會。
網球也是由大量原子所組成，為什麼整體的行為卻不像它所組成的單個粒子？要回答這個問題，我們必須了解一些量子力學的基礎知識。讓我們先看看光的雙縫實驗是如何工作的。
原理
通過兩個狹縫照射單色光，當光線撞擊屏幕時，我們會在另一側看到干涉圖案。因為隨著波的傳播，波峰相遇的地方會增強，而波峰碰到波谷的地方將抵消。這應該不是什麼大秘密，也不是量子力學所獨有，這只是波的屬性。現在，如果我們降低光的強度，直到我們的光源一次只發射一個光子。理所當然的，我們認為這不應該創建一個波的模式！當我們一次拍攝一個光子時，它會在屏幕上形成一個點。但是如果發射足夠多的光子，我們會發現這些光子共同形成了相同的干涉圖案。
因此，我們想知道光子在狹縫處發生了什麼，所以在那裡放置一個檢測器來確定光子是通過狹縫1還是通過狹縫2。這是量子力學最令人吃驚的結果，因為當我們試圖找出光子走哪條路徑時，干涉圖案消失了！光子現在似乎表現得像粒子而不是波。這其中發生什麼了？讓我們用哥本哈根解釋的語言來談談，這是量子力學最被接受的解釋之一，它是哥本哈根大學的尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡在1927年左右構想出來的。
這種解釋基本上說這些所謂的粒子根本不是粒子，它們同時處於多個狀態，就像一波又一波的概率，只有當它們被測量時，波才會像粒子一樣變得清晰。在概率波變成不同粒子的點稱為概率波的「坍縮」。科學家們發現，在測量任何粒子的路徑信息的任何時候，它的概率波都會坍縮。為了使粒子保持概率波，它們的路徑信息必須絕對保密。如果在任何時候進行任何類型的測量，粒子都會變得清晰，並且不會表現出類似波的行為。
在隨後的幾年中，電子、原子甚至由多達 800個原子組成的分子也發現了同樣的行為。如果測量它們的路徑信息，則不會形成相同的干涉圖案，並且會發生相同的崩潰。測量總是使波形坍縮，測量是對粒子所走路徑的任何物理記錄的形成，這與有意識的觀察者無關。
解釋
現在，如果我們用非常大的粒子來做這件事，比如沙粒或網球，我們會看到相同的模式嗎？當然不會。我們只會在雙縫的另一側看到兩條線。為什麼我們看不到網球的這種行為？原因是大型物體幾乎不可能在信息上與外界隔離。
要想隔離網球，我們必須確保在宇宙中的任何地方都沒有記錄網球所遵循的路徑。首先，我們必須去除實驗中的所有空氣和光子。如果一個光子或空氣分子從網球上反彈，那麼它就有可能記錄了網球的路徑。例如，如果光子從球上反射回來，那麼這可能是一個測量值，因為光子的路徑會改變，而光子的反彈路徑已經記錄了球的路徑信息。潛在地，宇宙可以檢查房間中所有光子的路徑，找出它們如何受到網球路徑的影響，並從這些信息中找出網球所走的路徑。
我們還需要將這個網球冷卻到接近絕對零，因為具有任何溫度的球都會由於稱為「黑體輻射」的東西而發射光子。發射的光子將記錄有關網球的信息，宇宙會檢查房間中的光子，可以確定這個網球的路徑。我們還不得不擔心網球的引力，因為網球的這種引力會影響附近的原子。理論上，這可以讓某人確定這個網球的路徑，附近原子的運動也可以形成網球軌跡的記錄。
我們必須完全隔離網球，因為任何泄露給宇宙的關於其路徑的信息都會創建一個記錄。即使這些信息記錄在一個原子中，它仍然是宇宙中捕獲的信息，這將導致網球不會疊加，不會是概率波，這將是一個獨特的實體。像這樣的宏觀物體很難在信息上隔離，所以在我們的日常經驗中，我們不會看到宏觀物體的量子疊加或波狀行為。
但量子力學適用於所有物體，如果我們可以在信息上完全隔離它，網球會表現得像一個原子那樣嗎？從數學上看，物體的波由德布羅意波函數描述：λ=h/mv。由於普朗克常數如此之小，而質量「m」如此之大，波長將非常小。因此，干涉圖案將近似於沒有干涉，網球的量子力學行為收斂於經典行為。
轉載內容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
如需轉載請聯繫原公眾號
來源：萬象經驗
編輯：藏痴
