山与海-第三章能量

在狭义相对论中,能量概念有了推广,质量和能量有确定的当量关系,物体的质量为m,则相应的能量为 E=mc²;

物质和能量是有型世界的表现,它对应着的是反物质和饭能量,数学推演客观世界本来就存在在哪里,不同宇宙有着不同的表现,我们的可观察宇宙只是它的一种存在形式。

虚空和存在是能量的不同表现,并且互相牵动着,就如同你们的世界里的量子力学一样,同时存在,同时湮灭,在虚拟和现实之间,以一种无法理解的形式存在,就像局部无法理解整体一样。

在量子力学里,双缝实验(double-slit experiment)是一种演示光子或电子等微观物体的波动性与粒子性的实验。双缝实验是一种“双路径实验”。在这种更广义的实验里,微观物体可以同时通过两条路径或通过其中任意一条路径,从初始点抵达最终点。这两条路径的程差促使描述微观物体物理行为的量子态发生相移,因此产生干涉现象。另一种常见的双路径实验是马赫-曾德尔干涉仪实验。

假若光束是由经典粒子组成,将光束照射于一条狭缝,通过狭缝后,冲击于探测屏,则在探射屏应该会观察到对应于狭缝尺寸与形状的图样。可是,假设实际进行这单缝实验,探测屏会显示出衍射图样,光束会被展开,狭缝越狭窄,则展开角度越大。在探测屏会显示出,在中央区域有一块比较明亮的光带,旁边衬托著两块比较暗淡的光带。

类似地,假若光束是由经典粒子组成,将光束照射于两条相互平行的狭缝,则在探射屏应该会观察到两个单缝图样的总和。但实际并不是这样,在探射屏显示出一系列明亮条纹与暗淡条纹相间的图样。19世纪初,托马斯·杨(ThomasYoung,1773~1829) [5]发表了一篇论文,《物理光学的相关实验与计算》(Experiments and Calculations Relative to Physical Optics),详细阐述这些实验结果。由于亮度分布可以用波的相长干涉与相消干涉这两种干涉机制来解释,意味着光是一种振动波,这促使光波动说被广泛接受,也导致17、18世纪的主流理论——光微粒说——渐趋式微。但是后来20世纪初对于光电效应的理论突破演示出,在不同状况,光的物理行为可以解释为光是由粒子组成。这些貌似相互矛盾的发现,使得物理学家必须想办法超越经典力学,更仔细地将光的量子性质纳入考量。

使用双缝实验与各种不同衍生的变版来检试单独粒子的物理行为,这方法已成为经典的思想实验,因为它能够清楚地探讨量子力学的核心谜题,它演示出对于实验结果的理论预测能力所不可避免的基础极限。

例如,稍微改变双缝实验的设计,在狭缝后面装置探测器,专门探测光子通过的是哪一条狭缝,则干涉图样会完全消失,不再能观察到干涉图样;替代显示出的是两个单缝图样的简单总和。这种反直觉而又容易制成的结果,使得物理学者感到非常困惑不解。帢斯拉夫·布鲁克纳(Časlav Brukner)与安东·蔡林格精简地表示如下:

观察者可以决定是否装置探测器于光子的路径。从决定是否探测双缝实验的路径,他可以决定哪种性质成为物理实在。假若他选择不装置探测器,则干涉图样会成为物理实在;假若他选择装置探测器,则路径信息会成为物理实在。然而,更重要地,对于成为物理实在的世界里的任何特定元素,观察者不具有任何影响。具体而言,虽然他能够选择探测路径信息,他并无法改变光子通过的狭缝是左狭缝还是右狭缝,他只能从实验数据得知这结果。类似地,虽然他可以选择观察干涉图样,他并无法操控粒子会冲击到探测屏的哪个位置。两种结果都是完全随机的。

尚未特别加以处理的光束是由很多光子组成的,为了要进一步了解双缝实验的物理行为,物理学者好奇地问,假设光子是一个一个的通过狭缝,那么,会出现什么物理状况?1909年,为了解答这问题,杰弗里·泰勒爵士设计并且完成了一个很精致的双缝实验。这实验将入射光束的强度大大降低,在任何时间间隔内,平均最多只有一个光子被发射出来。经过很久时间,累积许多光子于摄影胶片后,他发现,仍旧会出现类似的干涉图样。很清楚地,这意味着,虽然每次只有一个光子通过狭缝,这光子可以同时通过两条狭缝,自己与自己互相干涉。类似地,电子、中子、原子、甚至分子,都可以表现出这种奇异的量子行为。

1961年,蒂宾根大学的克劳斯·约恩松(Claus Jönsson)创先地用双缝实验来检试电子的物理行为,他发现电子也会发生干涉现象。1974年,皮尔·梅利(Pier Merli) ,在米兰大学的物理实验室里,成功地将电子一粒一粒的发射出来。在探测屏上,他也明确地观察到干涉现象。2002年9月,约恩松的双缝实验,被《Physics

World》杂志的读者,选为最美丽的物理实验。

克里斯蒂安·惠更斯提出惠更斯原理表明,波前的每一点可以认为是产生球面次波的点波源,而以后任何时刻的波前则可看作是这些次波的包络,这是光波传播的基本原理,可以预测光波在介质中的传播。从光源释出一连串的光波,就好似浮在水面上的浮标,被重复地拉起来,放下去,制成了水波在水面传播。惠更斯想出一种预测波前位置的方法,如右图所示,绘制一组圆心包含于一个波前的同半径圆圈,它们的切线,经过连接与平滑后,形成一条连续的曲线,这就是预测的波前位置。依照这方法,可以展示出一个平面波波前或一个圆形波波前怎样持续延伸。将惠更斯原理加以数学论述,奥古斯丁·菲涅耳证明了光波动说与光在介质内以直线传播的射线行为相符合,不存在任何矛盾之处。菲涅耳又对于衍射与干涉现象,给出一个合理、完整的解释。

不论是电子、中子或是任何其它量子尺寸的粒子,在双缝实验里,粒子抵达探测屏的位置的概率分布具有高度的决定性。量子力学可以精确地预测粒子抵达探测屏任意位置的概率密度,可是,量子力学无法预测,在什么时刻,在探测屏的什么位置,会有一个粒子抵达。这无可争议的结果,是经过多次重复地实验而得到的。这结果给予了科学家极大的困惑,因为无法预测粒子的抵达位置,这意味着没有任何缘由而发生的粒子的抵达事件。很多物理学者非常不愿意接受这种事实。尽管量子力学可以正确地预测实验结果,量子力学不能解释为什么会发生这类现象,为什么粒子似乎可以同时通过两条狭缝?阿尔伯特·爱因斯坦认为,从这里可以推论量子力学并不完备,一个完备的理论必须对这些难题给出满意解释。尼尔斯·玻尔反驳,这正好显示出量子力学的优点,量子力学不会用不恰当的经典概念来解释这种量子现象,如果必要,量子力学可以寻找与应用新的概念来解释这些难题。

哥本哈根诠释

哥本哈根诠释为许多先驱量子力学学者的共识。哥本哈根诠释明确地阐明,数学公式和精确实验给出很多关于原子尺寸的知识,任何大胆假设都不应该超越这些知识范围。概率波是一种能够预测某些实验结果的数学构造。它的数学形式类似物理波动的描述。概率波的概率幅,取其绝对值平方,则可得到可观测的微观物理现象发生的概率。应用概率波的概念于双缝实验,物理学家可以计算出微观物体抵达探测屏任意位置的概率。

除了光子的发射时间与抵达探测屏时间以外,在这两个时间之间任何其它时间,光子的位置都无法被确定;为了要确定光子的位置,必须以某种方式探测它;可是,一旦探测到光子的位置,光子的量子态也会被改变,干涉图样也因此会被影响;所以,在发射时间与抵达探测屏时间之间,光子的位置完全不能被确定。

一个光子,从被太阳发射出来的时间,到抵达观察者的视网膜,引起视网膜的反应的时间,在这两个时间之间,观察者完全不知道,发生了什么关于光子的事。或许这论点并不会很令人惊讶;可是,从双缝实验可以推论出一个很值得注意的结果;假若用探测器来探测光子会经过两条狭缝中的那一条狭缝,则原本的干涉图样会消失不见;假若又将这探测器所测得路径信息摧毁,则干涉图样又会重现于探测屏,这引人思维的现象将双缝实验的程序与结果奥妙地连结在一起。

路径积分表述是理查·费曼提出的一个理论(费曼强调这个表述只是一种数学描述,而并不是尝试描述某些无法观察到的真实程序)。路径积分表述不采用粒子的单独唯一运动轨道这种经典概念,取而代之的是所有可能轨道的总和。使用泛函积分,可以计算出所有可能轨道的总和。

路径积分表述阐明,假设一个光子要从发射点a移动至探测屏的位置点d,它会试着选择经过所有的可能路径,包括选择同时经过两条狭缝的路径;可是,假若用探测器,来观察光子会经过两条狭缝中的那一条狭缝,整个实验设置立刻有所改变;假设探测器的位置为点e,而探测器观察到光子,则新的路径是从点e到点d;这样,在点e与点d之间,只有空旷的空间,并没有两条狭缝,所以不会出现干涉图样。

物质世界也不是我们看到的样子,有型世界奇异、绚丽、多彩,我们是物质世界的一种形态,自演化的千百万中的一种,初级的逆熵进化的一种,我们是来自另一种逆熵世界演化的世界的一种逆熵演化。是能量消失之后的余显。终究归于一点,在虚无世界时间当中显隐,不知过了多久,还会于此刻相遇,因为从一端到另一端的时空是如此近且远,千年只在一瞬间而一瞬间却已经过了一千年。

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