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双缝实验更恐怖,贝尔不等式检测,世界真实存在性迎来终极判决

常驻编辑 科普中国 2022-06-01 贝尔   不等式   爱因斯坦   量子力学   光束   光子   粒子   缝隙   判决   变量   物理   真实   恐怖   世界

如何确定事物的真实性?物理学中将这样的研究问题放到了物质运动本身上去研究,我们所有一切感知到的现象都是这个世界的真实运作表现。zQz拜客生活常识网


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无论是听到的声音,还是看见的光线变化,这些都是能够从事物最基本的粒子运动方面进行解释。当量子力学发展后,物理研究却在事物的真实性上犯了难,这是为什么?zQz拜客生活常识网

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物质的运动确定事物的真相?zQz拜客生活常识网


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量子力学中的双缝实验向人们展示了粒子的叠加态,双缝实验的结果令科学家大吃一惊,事物的运动状态居然是观察之后才有的。zQz拜客生活常识网


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随后几十年的发展中,贝尔不等式的出现又将量子力学推向了新的研究中,甚至体现在哲学命题里,即何为自由意志。zQz拜客生活常识网

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量子力学中的双缝实验zQz拜客生活常识网

双缝干涉实验是什么?它揭示了何种物理现象?为什么“双缝实验”让科学家们感到震惊?贝尔不等式又是什么?本文接下来将从双缝实验、量子力学、贝尔不等式这几个方面去解答这些问题,比双缝实验更恐怖的是贝尔不等式检测,为什么对世界真实存在性进行了终极判决?双缝干涉zQz拜客生活常识网


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我们先来聊聊双缝实验,这是一种展示光子或电子等微观物体波动性与粒子性的实验。实验准备非常简单,只要一块带有双缝的不透明板和能够发出光束的设备,然后将光束射向这块双缝板,就能看到穿过缝隙后的光线。(缝隙只有0.7毫米)zQz拜客生活常识网

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双缝实验的设备zQz拜客生活常识网


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按照经典物理体系下的假设,如果光束是由经典粒子组成,那么光束在照射进细缝后,经过细缝后的光束会冲击探测屏。然后通过观察,应该就能看到与缝隙形状与之相对应的光斑图。zQz拜客生活常识网


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但事实上并不是这样,光束在穿过缝隙后并没有形成完整的对应图形,而是出现了两倍光强度的图像,并且还出现了许多小的干涉条纹。为了阐述这种现象,科学家认为亮度的变化可以用波的相长干涉与相消干涉两种机制来解释,这意味着光是一种振动波。zQz拜客生活常识网

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双缝实验打开了新世界zQz拜客生活常识网


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不过到了20世纪,光电效应的理论突破给光的物理行为带来了另一种解释,即光是一种粒子,光的行为实际上就是粒子的行为。但科学界那时认为粒子和波的行为应该是有所区别的。那么光到底是波还是粒子呢?zQz拜客生活常识网


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为了更好地解答这个问题,科学家设计了一种更为精妙的双缝干涉实验。他们将光束缩减至最小,然后极大地降低光子的活动和数量,这样光子就可以一个一个地通过缝隙,按照平时的想象,如果是单独的光子总不至于出现被干涉的情况吧。zQz拜客生活常识网

然而实验结果再次让科学家们大吃一惊,虽然每次只有一个光子通过缝隙,但是这些光子可以同时通过两条缝隙,并出现单独的光子自己干涉自己的行为。zQz拜客生活常识网


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科学家在后来的研究中发现,量子力学可以精确地预测粒子抵达探测屏的任意位置的概率密度,但是无法预测在什么时候,哪个位置会有粒子到达。zQz拜客生活常识网

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一个光子能通过两条缝隙zQz拜客生活常识网


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这意味着粒子的抵达事件是不可知的,物理学家不愿意接受这个事实,同时科学家也在思考为什么一个粒子能够同时经过两条缝隙。对此实验又进行了一次升级,科学家准备直接对通过缝隙的光子进行观察,来看一看光子到底出现了怎么样的变化。结果恐怖的事情出现了,如果进行直接观察,光子的这种问题消失了,光斑也变成了简单的光线。为什么会这样?zQz拜客生活常识网


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叠加态和不可预知zQz拜客生活常识网


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量子力学解释为这是粒子的叠加态和测量所导致的坍塌,简单地来解释就是,粒子在进行观察之前存在各种方向的运动状态。当观察者进行观察时,原本的测量也导致了粒子运动的坍塌,这种运动状态就被确定了。这在后来也被称作为“测不准原理”。zQz拜客生活常识网


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当时科学界有两位物理明星,一个是爱因斯坦,一个是玻尔。爱因斯坦认为这不符合物理逻辑,同时也证明了量子力学并不完美,它不能很好地解释粒子的运动。

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