201609291846量子觀點:在現象被觀察之前,無一是實在的

關於【測量】,在古典物理中是客觀絕對的,而在量子物理中則是終結以機率方式存在之不確定狀態,是觸發將能量凝聚為物質的操作。

量子有正向自旋與反向自旋二種同時存在的狀態。當進行測量(或觀察)時,便終止量子的疊加狀態(superposition),而呈現某一事實。

也就是只有在開起盒子(觀察)後,才確定薛丁格的貓(Schrödinger's cat)是不是還活著(wiki);當盒子還沒開啟前,貓兒的狀態是:既是活著也同時是死亡的狀態。蛤,詭異!這是甚麼道理。簡單的說,就是本文標題所揭櫫:在現象被觀察之前,無一是實在的


【薛丁格的貓】(
WikiSchrödinger's cat 

薛丁格設計的著名實驗:將一隻貓放入配備了放射性物質和輻射偵測器以及毒氣桶的盒子。偵測器能偵測到任何放射物質發出的粒子,並連結毒氣桶。(1-決定貓命運的環境存在某種未知的可能性)

若偵測到有粒子發出,便啟動毒氣桶釋放毒氣(盒子裏的貓將被毒死)。反之,若未偵測到有粒子發出,那麼毒氣桶便不會被啟動(貓會是活的)。(2-貓的命運和環境有關連)。
假設,特定的時間T內,放射性物質有50%的機率發射出一個粒子,也有50%的機率保持不變。(3-環境變動的邏輯)

那麼經過時間T後,貓兒是死是活呢?(那麼Q:貓現狀為何?)

在任意時間t=T時,活貓與死貓是同時存在的,其機率各為0.5,也就是這兩種狀態共存的疊加狀態,以波函數 \psi\,\!表示,如下:|\psi\rangle=(|\text{dead}\rangle + |\text{alive}\rangle)/\sqrt 2\,\! 。

當觀察者一掀開盒蓋,這時候,波函數 \psi\,\! 立刻會塌縮成活貓波函數 |\text{alive}\rangle\,\! 或死貓波函數 |\text{dead}\rangle\,\! 。(假若貓是死的,那麼可以說貓是被觀察者的觀察這動作殺死的。所以好奇殺死貓 哈!哈!!)。

這樣說的根據來自1927年波爾為首的物理學家所提出的【哥本哈根詮釋】,解釋了【雙狹縫實驗】中,電子到底會穿過那個縫是不可預測的。但卻也令愛因斯坦惱火,而提出犀利的質疑:難道月亮只有在你看著他的時候才存在嗎?
為此,愛因斯坦還說了另一句“【非】至理的名言:上帝不會擲骰子。意謂說:上帝的世界不會允許事件的出現,像擲骰子一般不確定地隨機發生。然而,在量子的世界觀,確實是(後來和敵對好友波爾經過數十年辯證,證明愛因斯坦在這點看法上是錯的)

哥本哈根詮釋:要區分清楚微觀系統和宏觀系統。在這個悖論裏,放射性物質放射出的粒子的行為是一個微觀系統;而貓的生死則是一個宏觀系統。針對微觀系統的部分,可以用兩個量子態的線性組合,來描述放射性物質是否發射出一個粒子,這是一個微觀系統的量子行為。

 哥本哈根詮釋是由幾位物理學家的觀點所構成的,哥本哈根詮釋並不是一句話就可以論定的。歸納哥本哈根詮釋包含了幾個重要的觀點:

  1. 一個量子系統的量子態可以用波函數來完全地表述。波函數代表一個觀察者對於量子系統所知道的全部資訊。
  2. 基本上,量子系統的描述是機率的。一個事件的機率是波函數的絕對值平方。(馬克斯·玻恩
  3. 不確定性原理闡明,在量子系統裏,一個粒子的位置和動量無法同時被確定。(海森堡
  4. 由於物質具有波粒二象性,根據互補原理Complementarity principle),一個實驗可以展示出物質的粒子行為,或波動行為;但不能同時展示出兩種行為。(尼爾斯·波耳)
  5. 測量儀器是經典儀器,只能測量經典性質,像位置,動量等等。
  6. 對應原理:大尺度宏觀系統的量子物理行為應該近似於古典行為。(尼爾斯·波耳與海森堡)

 但愛因斯坦並不同意,與好友波耳(哥本哈根學派)。約從1927年的Solvay Physics Conference到1949年,進行了長達20年的辯證論戰。

第三排:皮卡爾德、亨里奧特、埃倫費斯特、赫爾岑、頓德爾、薛丁格、維夏菲爾特、包立、海森伯、福勒、布里元,
第二排:德拜、努森、布拉格、克雷默、狄拉克、康普頓、德布羅意、玻恩、波耳
第一排:蘭米爾、普朗克、瑪麗·居里、勞侖茲、愛因斯坦、朗之萬、古耶、威爾森、理查森

Solvay Physics Conference 1927

哥本哈根詮釋(Wiki)讓愛因斯坦與波耳這對好友進行了長達二十幾年的辯證論戰。愛因斯坦不能接受事物竟不是客觀而絕對的存在,卻只能以機率表示各種狀態的同時存在。因此愛因斯坦有【上帝不擲骰子】之說。愛因斯坦認為構成自然世界的粒子(物質),不應該是建立在機率以及不確定上。但日後有名的「雙縫實驗」似乎證明了愛因斯坦的想法可能是錯的。

「雙縫實驗」結果發現干涉條紋的有無,取決於我們是否窺視光子的行進。有一說:「物質」(粒子)只有在被「觀察偵測」的那一刻才從「能量」(波動)凝聚成有本體的物質(粒子) !(蛤,我們熟悉且賴以維生的物質世界是一種能量,只有在測量的時候才凝聚成物質形式。)

「雙縫實驗」是讓光通過兩條平行的狹縫,結果發現:通過狹縫的光線形成許多條紋(為波的干涉現象)。雙狹縫實驗出現干涉現象,證明光是「能量」(波動說),否則物質觀點(粒子說)是無法解釋光子如何能以物質型態能「 同時」通過兩個狹縫。

雙縫實驗(Double Slit Experiment)

當設計讓光子一個一 個的射出,可是仍然得到干涉的條紋 。怪怪,個別的單一粒子怎能知要打在哪裡,以形成干涉現象?

難道是機率的問題嗎?

又,如何驗證:個別獨立的物質如何能決定自我表現,以使整體出現出特定的型態?而當他是否被「測量」或「觀察」,又有何差別? 它又如何選擇某特定的行進路徑?

讓我們來看看雙狹縫實驗,如何進行,以及揭示那些質疑,和提出了那些觀點?

【實驗A】單光子,雙狹縫(仍觀察到干涉現象)

如果是粒子而不是波動的話,透過雙狹縫長時間曝光後的屏幕上,應該要看到沒有干涉現象的雙峯式分佈。
但是實驗者發現,在長時間曝光後,無數的感光點卻仍然描繪出干涉的條紋!就好像光子在飛行途中形成分身,同時通過兩個狹縫,然後自己與自己的分身互相干涉一樣。

奇怪,一個光子怎麼可能同時穿過兩個狹縫呢? 一個個到達底片的光子又如何能形成干涉條紋?科學家於是絞盡腦汁想弄清楚光子的路徑,究竟單一光子到底是通過哪一個狹縫

【實驗B】延遲選擇(惠勒J.A. Wheeler)(不觀察時就會出現干涉;進行觀察則不會有干涉)

 在屏幕後方藏兩支觀察鏡。分別指向右邊和左邊的狹縫進行偵測。當光子通過狹縫時,有一遮屏將鏡擋住觀察鏡(沒有測量發生)。在到光子通過狹縫後,才趕緊拉開屏幕觀測。重點:光子通過狹縫後才做測量,因此,沒有測量會影響光子通過狹縫的路徑。

結果怪怪!如果不拉開屏幕(不觀察測量),就會出現干涉條紋;如果拉開屏幕(進行觀察測量),則不會有干涉條紋而是雙峯分佈。也就是說,光子的行為取決於你測量與否。(測不準原理形同捍衛量子力學理論的灘頭堡,得分)

惠勒提出的延遲選擇實驗是量子雙縫實驗的一個擴展,它給出了一個特殊的【結論】:我們現在的行為對過去產生了影響。(出處)

【實驗C】雙光子,雙狹縫史卡利

設計一個雙光子光源,這種特殊的光源一次會同時放出兩個孿生光子。當一個光子A飛出來時,另一個光子A’會往反方向飛。我們任由其中一個光子通過狹縫,而不做測量觀察或干擾它,結果形干涉圖案。一段時間後,再由觀測遠處的孿生光子來推論光子的路徑。
重點:觀察孿生光子之一,推論另一光子的路徑,因此,沒有測量會影響光子通過狹縫的路徑。

結果是:一旦我們知道了光子由那個狹縫通過,干涉條紋還是會消失。(這實驗還待更釐清,待續)

【實驗D】量子抹除實驗 quantum eraser experiment史卡利(M.O. Scully,1982)

當我們窺視了光子,而破壞了干涉性質之後,如果在光子飛到屏幕留下任何紀錄之前,把偷窺的紀錄抹掉,那麼後來光子到底還會不會有干涉條紋?預期如果沒有干涉條紋的話,那是因為畢竟我們曾經干擾了它的路徑。可是驚奇的是:測量的結果竟然如量子力學(糾纏效應)所預測的一致,抹掉紀錄後,還是出現干涉條紋。(這實驗還待更釐清,待續)


https://www.youtube.com/watch?v=Jteqpt8gqz4

雙縫實驗結果似乎證實了「物質」(粒子)只有在被「觀察偵測」的那一刻才從「能量」(波動)凝聚成有本體的物質(粒子) !

總結一下,得到的觀點是:

當觀測者選擇檢測、觀察那一條縫隙是哪個物質穿過的時候,它的“波動”性竟會化為單一路徑,使粒子從“波”的可能性,變回只走單一路徑的粒子,好像它知道有人在看它似的。【觀點】觀察會影響的粒子行進。

根據物理學家AndrewTruscott,一項由澳洲國家大學出版的研究的首席學者表示,該實驗說明了「除非我們親眼盯著它瞧,否則現實並不存在」。這表示我們生活在一個全息宇宙裡。

量子物理的世界裡,在現象被觀察之前,無一是實在的。【註】如薛丁格的貓之生死,現實的結局,是在觀察的瞬間才凝結的。

然而,無法證實的,又如何能判定真偽?正如愛因斯坦所提出的強烈的質疑:Does the moon exist only when you look at it ? 難道月亮只有在你看著他的時候才存在嗎?

根據哥本哈根學派的理論這個命題應該如此:沒受到觀察測量前著的月亮時,處於一種存在與不存在同時可能的疊加狀態。就是這樣的一個難題,在的物理領域十足科學的深處,開啟了一扇終極任意門,得以遁入了形上的境界,拓展了無限的想像和可能。

若,雙縫實驗帶給我們的結果是:月亮只有在你看著他的時候才存在

然而事實上,我們【隨時】抬頭又總是看到月亮。那又什麼道理?

這個秘密是:世界的存在是幻相性存在的。

電子遊戲的情境就是最好這個說法最好的比喻和理解了。
大家玩遊戲時都知道遊戲中的山河大地、樹葉清風等一切都是假像。比如說,電子遊戲中的一個人物,只有當他敲開雞蛋後,其蛋黃才會被CPU啟動運程式運算之後,傳到顯示器顯示出來。然而,在他的想法中,雞蛋、蛋黃、山河和月亮,都是事先存在的“實在”(真實),並不是因為他的觸發,才被顯現的。

換句話說:遊戲中的人物(也身處幻境的主體),並不認為所觸發的一切,也都是不存在的幻相。

就是說,在他(意識覺知)觸發顯現的一切之外,都是以一種潛在的可能性,處於一種非有非無的(量子)狀態的方式存在著的。這種認識就如現在我們對電子遊戲是假的一樣的認識。
回到現實世界,在雙縫實驗中,對電子概率的解釋帶給我們的結果是:這個世界本質是假像性存在的。這種假像與電腦遊戲程式中的情況一模一樣。一切都是因意識的觸發,而(凝結,從能量態轉為物質態才)存在的。

【延伸】

entanglement 纏結:一個粒子的【測量】會影響到另外一個粒子,不論它們的距離有多遠。

entanglement 是量子現象最詭異的稱為「幽靈般的超距作用」(spooky action at a distance)。

 

【註】1927年

  1. 彼得.德拜 美國物理化學家。1884年出生於荷蘭。1901年進入德國亞琛工業大學學習電氣工程, 1905年獲電子工程師學位,因他通過偶極矩研究及x射線衍射研究對分子結構學科所作貢獻而於1936年獲諾貝爾化學獎金。1966年逝世。
  2. 威廉.亨利.布拉格(W.H.Bragg,1862-1942)是現代固體物理學的奠基人之一,他早年在劍橋三一學院學習數學,曾任利茲大學、倫敦大學教授,1940年出任皇家學會會長。由於在使用X射線繞射研究晶體原子和分子結構方面所作出的開創性貢獻,他與兒子w.l.布拉格分享了1915年諾貝爾物理學獎。父子兩代同獲一個諾貝爾獎,這在歷史上恐怕是絕無僅有的。
  3. 愛因斯坦是20世紀最偉大的科學家,被公認為人類歷史上最具有創造性才智的人物之一。他的名字與相對論密不可分,其實,相對論包括兩種理論:其一是他1905年提出狹義相對論;其二是他1915年提出的廣義相對論。
  4. 埃倫費斯特( p. Ehrenfest, 1880-1933)荷蘭物理學家
  5. 1930年,英國物理學家保羅.狄拉克(paul adrien maurice Dirac,1902~1984)用數學方法描述電子運動規律時,發現電子的電荷可以是負電荷、也可以是正電荷的。狄拉克猜想,在自然界中可能存在一種「反常的」帶正電荷的電子。
  6. 薛丁格(erwin Schrodinger,1887-1961)奧地利理論物理學家,與愛因斯坦、波耳、玻恩、海森伯等一起於20世紀20年代後期,發展了量子力學。因建立描述電子和其他亞原子粒子的運動的波動方程,獲得1933年諾貝爾物理獎。
  7. 1922-1923年間,康卜吞(A.H.Compton, l892~1962)研究了X射線經金屬或石墨等物質散射後的光譜。
  8. 美籍奧地利科學家沃爾夫岡.泡利(Wolfgang E. Pauli,1900~1958),是迎著20世紀一同來到世界的,父親是維也納大學的物理化學教授,教父是奧地利的物理學家兼哲學家。
  9. 海森伯(Werner Karl Heisenberg,1907~1976)德國理論物理學家,量子力學第一種有效形式(矩陣力學)的創建者。   
  10. 玻恩 (Max Born ,1882~1970)德國理論物理學家,量子力學的奠基人之一。
  11. 波耳(N. Bohr,1885~1962)生於丹麥首都哥本哈根,父親是哥本哈根大學的生理學教授.從小受到良好的家庭教育. 1903年進入哥本哈根大學學習物理,1909年獲科學碩士學位 。

【出處】

資料來源:看中國2005年02月07日(資料不復) http://www.secretchina.com/news/big5/articles/5/2/7/84548.html 

科學人雜誌 2007 年 6 月號,與光子玩捉迷藏 張明哲

索爾威會議 充滿智慧的照片 http://memo.cgu.edu.tw/yun-ju/cguweb/sciknow/phystory/Solvay/SolvayCouncil.htm 

物語悟理 http://memo.cgu.edu.tw/yun-ju/cguweb/sciknow/indexSciKnow.htm

http://blog.sina.com.cn/s/blog_4c9c7ee101016q63.html

雙狹縫干涉實驗(pdf)

https://youtu.be/Jteqpt8gqz4

量子實驗證明時間並不存在(讓你完全改觀) 

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