科技改變生活 · 科技引領未來
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結果先于意識，還是意識先于結果？
以人類常規的思考邏輯來看，我們一定會不假思索地回答道是意識存在影響了結果本身。
可事實真的是這樣嗎？
量子領域的假想
如果現在要說所有的結果都是注定選擇好的，無論我們的意識如何，選擇怎樣，最終的結果都已經定好了，人們會怎么想呢？
現代物理學中很少有科學實驗像雙縫實驗這樣離譜，它向物理界傳達的一個最直接的信息便是：
光和物質既可以作為波，也可以作為離散的粒子，這取決于它們是否被觀察到。
盡管如此，雙縫干涉實驗的過程和結果仍是量子力學的一大謎團。
雙縫干涉下的光線圖案
為了方便理解雙縫實驗證明了什么，我們得從量子力學中去尋找答案。
1925年，維爾納·海森堡給馬克斯·博恩提交了一份論文回顧，這份論文展示了如何測量亞原子粒子的屬性，例如它們的位置、動量和能量。
維爾納·海森堡與他的物理學
博恩表示這可以通過數學矩陣來表達，單個粒子有明確的凸形和描述，這為后來的量子力學矩陣描述奠定了基礎。
同時期內，薛定諤發表了他對量子力學的波動理論，在他的理論中，粒子的定義可以是波形的方程。
也就是說，粒子其實是波。
科學家對量子力學的進一步研究產生了“波粒二象性”的概念，這也是量子力學的定義特征之一。
根據此概念，亞原子實體可以被描述為波和粒子，但這取決于觀察者如何測量它們。
量子粒子與自身的干涉
量子力學在普朗克、愛因斯坦、玻爾、德布羅意、薛定諤等人的工作下，當前的科學理論都認為所有粒子都表現出了波動性，反之亦然。
另外波動性的表現不僅在基本粒子方面得到了驗證，即便是原子甚至分子更大維度的復合粒子上也得到了驗證。
然而在宏觀粒子中，由于波長太短，通常無法通過科學實驗來檢測波的特性。
雙縫實驗下的粒子
觀察者決定量子實體如何顯現，如果我們試圖測量一個粒子的位置，那么測量該粒子的位置時，它便不再是波。
但如果去試圖定義它的動量，人們又會發現它的行為和波一樣。
除了它存在于該波中任何給定的概率外，科學家無法確定它的位置。
本質來看，將其作為粒子或波來測量，決定了它會以什么形式出現，而雙縫實驗正是證明這種波粒二象性最簡單的例子。
由單一波長的光產生的干涉圖案
值得一提的是，雙縫實驗遠遠早于科學家們在20世紀對量子力學的描述。
自英國科學家托馬斯·楊在1801年首次進行實驗來，這個問題已經困科學家200多年。
楊的實驗讓他發現，光會像波一樣出現。
如果我們用兩個平行的狹縫在墻上照射一束光時，假設光束只有一個波長。
當光線穿過狹縫時，每個狹縫都會出現新的光源并在分隔后的另一側出現。
來自每個狹縫的光會出現衍射，并于來自另一個狹縫的光進行重疊且相互干擾。
托馬斯·楊的畫像
任何波都可以產生干涉圖案，無論是聲波、光波還是穿過水體的波。
當波峰在波谷發生撞擊時，它們彼此會抵消，這被稱作相消干涉，并會顯示出暗帶。
當波峰撞擊波峰時，它們則會相互放大。
這被稱作相長干涉，并會顯示出亮帶。
亮帶與暗帶的組合便被稱為“干涉圖案”，這可以在狹縫對面的墻壁或是屏幕中看到。
對于光子或電子這樣的量子實體，它們雖然也是單個粒子，但如果將它們通過雙縫射出一個光子時會發生什么呢?
光子在實驗中出現的條紋干涉圖案表明，單個光子的行為就像通過了兩個縫隙一樣，這使它的表現是一個波。
平面波的雙縫衍射圖案
如果在狹縫前設置一個檢測器，它可以觀察光子并在檢測光子通過時亮起，檢測器會在檢測時有50%的時間點亮。
此時屏幕上留下的圖案會發生變化，它看上去就像兩道光杠。
如果在墻后面設置探測器，旨在光子穿過狹縫后才進行檢測，便會得到相同的結果。
這意味著即使光子會以波的形式通過兩個縫隙，一旦被檢測到，它就不再是波而是粒子狀態。
粒子撞擊使波的干涉圖案可見
不僅如此，從另一個縫隙出現的第二波也會坍縮回去，通過另一個縫隙檢測到粒子。
相關的實踐表明，通過雙縫隙射出的單個光子越多，探測器在50%的時間里越接近探測到光子。
這就好比拋硬幣會隨著拋投次數越多，正反面的概率會越接近50%。
這似乎說明，宇宙以某種方式同樣在觀察實驗者，雙縫中的實體量子態也受概率定律支配，因此科學家們無法確定一個物體的量子態是什么。
檢測器的時間50%圖案看起來會像這樣
顯然，波和粒子產生了截然不同的模式，它們本應該很容易地被區分。
可一旦進入量子力學領域，事情便會出現這種詭異的情況。
原子尺度上，如果我們進行單縫實驗，并將光子發射到傳感器屏幕上。
光子會在屏幕上顯示為一個點，這時我們可以認為光子是粒子。
粒子的最終位置會大致相同
可一旦打開兩個狹縫，就會出現干涉。
如果單個地發射光子，如果它們沒有機會互相干擾，那它們會表現得像粒子還是波呢？
這便是雙縫實驗最恐怖的地方，起初光子會以隨機散射的方式出現在屏幕上。
但隨著光子越來越多，干涉圖案開始出現，每個光子本身都會對整體波狀造成影響。
按理來講，一次發射一個光子，它們之間不應該出現干涉才對。
一次性發射和單個發射結果一樣
縫隙、光子、探測器都是相同的情況下，探測器關閉后，粒子狀圖案便不會出現。
此時，粒子的表現會再次在屏幕上形成波狀的干涉圖案。
當我們不去觀測它的時候，它是波，當我們觀測它的時候，它是粒子。
不去觀測它，粒子就是正常的
光子似乎知道它們處于波態中會去向哪里，就像影院中觀眾沒有分配座位就出現了，但每個人卻又知道自己該坐哪里。
粒子的所有可能路徑都可以相互干擾，即使實際存在的路徑只有一條，所有現實同時存在，直到最終結果出現。（這類似于疊加態概念）
雙縫實驗在哥本哈根解釋中，玻爾和海森堡為其提供了一種看法。
但兩人關于量子力學的看法并不統一，玻爾提供了一種獨立于主觀觀察者或測量的解釋崩潰，它依賴于一個“不可逆”過程，并可能發生在量子系統中。
海森堡則強調觀察者和被觀察者之間的“切割”，兩者無法真正觀測到彼此。
另一個重要問題便是波粒二象性，兩人的看法在實驗本身和數學定義種出現了分歧。
哥本哈根解釋否認了波函數提供了普通物質體的直接可理解的圖像，或某些此類物質的可辯別成分。
從波函數來看，它是一個數學實體，它為系統上每個可能測量的結果提供概率分布。
而量子態的知識還有系統隨時間演化的規則，含進了所有可預測的系統行為。
答案究竟會是什么？
也就是說，觀測和測量物體的行為不可逆，除非根據物體的測量結果，否則不能將任何真理歸因于物體。
雙縫實驗的觀測和結果可以同時存在，觀測本身就會導致粒子發生變化，從而影響結果。
換位到哲學中，選擇意識是否還具備重要性，結果是否重要。
如果說意識會影響結果，可結果在一開始就被定下，那選擇是否還有意義？這便是量子力學在今天給人們帶來的思考。
王俊林