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标题: [基督徒] 从量子物理学的双缝实验说起 [打印本页]

作者: yingyinc 时间: 2025-6-7 07:20 标题: 从量子物理学的双缝实验说起

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杨太太｜从量子物理学的双缝实验说起

原创
杨太太
杨太太的成长日记
2025年06月07日 00:23
美国

59人

这可以视作一篇量子物理学的科普文。写文章前，首先感谢点开这篇文章的读者，“好玩的读者”给我很多写作的动力。然后感谢ChatGPT把很多问题都给我解答，文章中大部分关于物理学的部分都源自ChatGPT的解答。最后感谢我们的好朋友，正在攻读物理学博士的苏弟兄抽空帮我读文章。
一昨天和好朋友聊天，朋友聊起了他一直在研究的量子物理学。我当场就笑了，因为这个朋友完全不是读书人，也没有读过大学，忽然聊起这个，我都怀疑他是不是被盗号了。但是他非常认真，他说他一直对这个很有兴趣。虽然我是一个物理学渣（又见《学完三年高中物理，也没有走出十七世纪》一文），但本着对朋友兴趣的尊重，我就决定也来看看他在研究的“量子物理学的双缝实验”到底是个啥。我开始问ChatGPT关于这个“双缝实验”，不聊不要紧，一聊我也震惊了。以下是我整理的ChatGPT的内容。
双缝实验（Double-slit experiment）这是一个经典物理实验，用来研究光或粒子的行为，揭示了量子世界非常奇怪的规律。具体的做法是这样的：1）你有一个板子，上面有两条细缝（slits）。2）你往这两条缝里发射光、电子或其他粒子。3）在另一边放一个屏幕，用来接收这些粒子。
如果你不去探究粒子通过哪一条缝：光子（或电子）会表现得像波一样。它们在屏幕上形成一个叫做干涉图样（interference pattern）的花纹，好像是波叠加后互相干扰造成的。这表明它不是一颗颗“子弹”，而是像“水波”一样通过两条缝同时经过，产生“自己干扰自己”的现象。所以说它“处于叠加态（superposition）”。但是如果你在缝旁边放个探测器，观察它到底是从哪条缝过去的：它就像乖乖的粒子那样，从一条缝走过；屏幕上不会出现干涉图样，只有两个斑点。这表明：你一旦去“看”它，它就不再是波，而变成粒子了！科学家发现，只要你设法去“知道”它是从哪条缝过去的，干涉图样就消失了。这说明：“观测”这一行为会改变实验结果，甚至可以说，“意识”可能参与了物理现实的生成——这就是最让人震惊的地方。我搜了一下网上的图，大概是这个意思：
二我问ChatGPT，这个是不是真的。它说：是的，双缝实验是真的，而且是现代物理中最经典、最基础、最令人震惊的实验之一。它已经被重复做了无数次，而且确实每次都得出了同样的结论。这个实验最早由托马斯·杨（Thomas Young）在两百年前做出，最初只是用来研究光是不是波。但到了20世纪，科学家开始用电子、光子、甚至分子来做这个实验，就得出了以上惊人的发现：
不观察时有“波”的行为，观察时变成“粒子”。物理学家只知道：“你观察的行为”——不论是用眼睛、仪器还是摄像头——会改变粒子的行为。但没人能完全解释：为什么观察“信息的获取”会影响现实世界的走向。看到这里，我觉得很震惊，因为听起来这么好玩的事情，我们高中物理老师竟然都没有告诉过我们？
三但是我还是很困惑，所以我继续问ChatGPT，那这个实验里的屏幕是什么？它是不是也属于是一种观察？——有意思的是我和孩子们分享我的发现的时候，我13岁的女儿也问了我一样的问题。ChatGPT说：屏幕（通常是感光板、照相底片或数码探测器）作用是记录光子“最终”打在哪儿，也就是光子“走完了路”的结果。但屏幕只是记录结果，而不是在中途“干预”或“探测路径”。所以，观察的本质不是“看结果”，而是“想知道过程”。也就是说：你只是看光子最后打在屏幕哪儿，它仍然保有波动性；你要是去“探测”它从哪条缝过来的路线，它就变成了粒子行为。这就是量子力学里奇怪的地方——你想知道它“路径”的时候，它就不再允许自己表现得像波了。我当时就想，哇，这不就是证明了这个世界上是有一个“看不见的世界吗”？我想到了以利沙的仆人看见火车火马的故事。当敌军围攻以利沙，他的仆人惊恐万分。以利沙说：“不要惧怕！与我们同在的比与他们同在的更多。”然后他祷告求祂开这少年人的眼目，使他能看见。结果仆人“眼睛一开”，就看见满山有火车火马围绕以利沙。了解了双缝实验以后，再读以下这些句子，感觉每句话都可以默想很多了。“我们行事为人，是凭信心，不是凭眼见。”（林后5:7）
“未曾看见就信的，有福了。”（约20:29）
“信就是未见之事的确据。”（来11:1）
——属灵的真实早就存在，只是我们肉眼没看见而已。
四ChatGPT随后又和我说了什么是“量子纠缠”。这个名字我是听到过很多次，但是我从来没有去研究过这个到底是个啥。这次终于有点懂了。什么是量子纠缠？就是当两个粒子处于一种特殊的量子状态中时，它们的性质会彼此绑定无论你把它们分开多远（哪怕在银河两端），一旦你对其中一个进行测量，另一个的状态就会瞬间确定下来。
举例说明：你准备两个粒子，它们的状态是互相关联的，比如：粒子A的自旋是“↑”时，粒子B就一定是“↓”；但你在测量之前，两者都处于“↑+↓”的叠加状态（superposition）。你把粒子B送到月球，把粒子A留在地球上。
结果是：你在地球上测量A的状态，它变成“↑”；那么此时此刻，B必定是“↓”，不管它在多远之外！于是问题就来了：你没有碰过粒子B；没有信号从A发到B；它却瞬间知道自己要变成相反的状态。
这就违反了经典物理的“局部性”和“信息传播速度不能超过光速”的原则——这个问题连爱因斯坦也还没有搞懂。正在攻读物理学博士的苏弟兄说：“量子纠缠对我的启发是：纠缠的双光子对，探测一个，另一个虽然还没有被探测，虽然看起来还跟它周围的光子一样，好像是随机的，但其实它的结果已经定了——因为当你探测的时候，就会得到那个确定的结果。这就让人想到了预定论。类比量子纠缠，预定有点像上帝拿着那一个先被探测（预定）的光子，你这边的那个光子（境遇）虽然跟别人看起来没有什么不同，好像什么结果都有可能，仿佛都是概率都是随机，但因为上帝那个与你纠缠的光子已经确定（探测）了，你这边这个也已经是一个确定的结果了，不再是真随机，等你遇到了（光子到达你的探测器了），你就看到那个确定的结果了。在量子纠缠实验中，人们是可以通过探测其中一个光子，得到结果，从而知道另一个光子的结果，提前告诉另一个观测者，那个观测者在观测另一个光子之前，就已经知道结果了，他的观测不过是验证了这一结果——这就像上帝预言事情的发生，告诉先知。我们一开始觉得一切仿佛都是随机的，但等看到结果的时候，就会发现现实中发生的结果是与预言相同的。”
五以上这些听起来玄乎乎的东西，实际上离我们并不遥远。量子计算机已经被发明，用来进行非常复杂的结构性问题。我们的中国科学技术大学也已研制出光子型量子原型机“九章”。回到文首，今天朋友和我聊天的时候，我和他说我还在研究他昨天发给我的关于量子物理学的东西，他也哈哈大笑。我很喜欢我这位没有读过大学的朋友，他没有读过大学并不影响他对他有兴趣的东西的研究。我想想我的朋友里，可以好好聊聊量子物理学的人不足五个，但是这些都是我最要好的朋友。昨天有个姐妹问我，怎么能做到心大。我想能尝试的办法之一就是除了鸡飞狗跳的生活之外，也可以做一个好玩的人，抬起头默想一下更大的世界。

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