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2024年3月19日星期二

谢选骏:不确定原理、观测者效应与祷告的作用


《量子力学中的观察者效应是什么?》(科学之窗|2020-03-23)报道:

   

当你在世界上观察某样东西时,一棵树、一只鸟或任何其他东西,无论你在何时何地观察这个物体,它总是不变的。然而,如果我告诉你,你观察某只鸟的时间和方式会影响它的外貌,那会怎么样呢?这听起来很荒谬,但当涉及到量子领域的奇异定律时,荒谬是正常的。量子力学定律的工作原理与一般大小世界的物理原理非常不同。在我们理解观察者效应之前,我们先来看看量子物理的基本原理。


量子力学领域主要建立在三大支柱之上。第一个支柱是量子化特性,量子化属性给出了粒子的位置、速度、颜色和其他属性,这些属性只能在一定的时间和实例中出现。这与公认的经典力学领域的信念正好相反,即一切都发生在一个光滑连续的光谱中。这是科学家们发现的非常新颖的东西,最终把这些粒子命名为量子化粒子。量子力学的第二个支柱是光的粒子性质。起初,光可以作为一种粒子来表现和分类的概念遭到了巨大的批评,因为它违背了已经确立的原则,即光具有类似于波的性质。


然而,光的粒子性质带来了一个基本单位,它可以代表微小的能量包,被称为量子。这不是别人,正是阿尔伯特·爱因斯坦本人提出的。爱因斯坦假设,一个能量包可以被产生或吸收,作为一个整体,特别是一个电子想要从一个量子态跳到另一个量子态。量子力学的第三个也是最后一个基本支柱是物质的波性。虽然这可能很难消化,但物质也表现出类似波浪的性质。物质的波状本质是由两位科学家独立提出的,几乎是同时提出的,尽管他们对彼此的工作毫不在意。这两位曾经的发现者是科学家路易斯·德·布罗意和欧文·薛定谔。


他们用两种根本不同的数学方法来证明物质的波状性质。后来,两人的贡献都得到了认可,他们的想法被共同命名为海森堡-薛定谔模型。海森堡确实对量子力学做出了更重要的贡献。虽然没有基本支柱那么重要,但它确实发挥了重要作用,被称为海森堡测不准原理。他推断,由于物质的本质是波状的,一些性质,如电子的速度和位置,是互相补充的。简单地说,电子的每一种特性都有一个限度,在此限度内,可以同时以一定程度的准确度进行测量。


当量子“观察者”在观察时,量子力学表明粒子也可以表现为波。这对于亚微米级的电子是成立的,例如。在美国,距离测量不到一微米,或千分之一毫米。当表现为波时,电子可以同时通过势垒中的几个开口,然后在另一边再次相遇。这被称为干涉。现在,关于这个现象最荒谬的事情是,它只能发生在没有人观察它的时候。一旦观察者开始观察粒子穿过这个开口,得到的图像就会发生戏剧性的变化:如果一个粒子可以被看到穿过一个开口,很明显它没有穿过另一个开口。换句话说,当被观察时,电子或多或少被强迫表现得像粒子而不是波。因此,仅仅观察的行为就会影响实验结果。


为了证明这一现象,魏茨曼研究所制造了一个小于1微米的小装置,它有一个带有两个开口的屏障。然后它们向势垒发射电子电流。这个实验中的观察者不是人,他们使用了一个微小的电子探测器,可以发现经过的电子的存在。量子“观察者”探测电子的能力可以通过改变它的电导率或通过它的电流强度来改变,探测器对电流没有影响。即便如此,科学家们发现,探测器“观察者”在其中一个开口附近的存在,也会改变电子波通过屏障开口的干涉模式。


事实上,这种效应取决于观察的“能力”,当“观察者”探测电子的能力增加时,换句话说,当观察的水平上升时,干扰减弱;相反,当它探测电子的能力降低,观测减弱时,干扰增加。因此,通过控制量子观察者的性质,科学家们设法控制了它对电子行为的影响程度!



观测者效应(Observer effect),是指“观测”这种行为对被观测对象造成一定影响的效应。


在量子力学实验中,如果要测算一个电子所处的速度,就要用两个光子隔一段时间去撞击这个电子,但第一个光子就已经把这个电子撞飞了,便改变了电子的原有速度,我们便无法测出真正准确的速度(不确定原理)。时间流逝的快慢也会受到观测者的影响,用很高的频率去观测粒子的衰变,反而使得粒子长时间不衰变。


这种效应在生活中极其常见。例如“螳螂吃夫”是众人皆知的常见生物现象,但后来却有学者认为自然界中其实原本并不存在这一现象,雌螳螂之所以吃掉雄螳螂,是因为观察者在场引起了它的紧张,误把自己的丈夫当成了敌人,然而此种说法是否正确尚有疑问。


观察者效应,广义上指我们几乎没办法不影响我们观察的事物——只不过是程度高低不同而已。


需要注意的是,“观察者效应”(Observer Effect)和“不确定原理”(Heisenberg Uncertainty Principle)并不相同,尽管人们常常对这两个概念误解误用。前者重点在“观察”,后者重点在“测量”。


在物理学实验中,为了能够让我们看到“电子”,我们必须想办法让“光子”与其相互作用,而这个动作必然使电子的活动路径产生变化。

在课堂上,学生(观察者) 的反应会直接影响教师(被观察者)的情绪和行为。

父母教育孩子的时候,会痛苦地发现孩子最终和他们看到的并不一样——因为孩子在处于父母监督下的时候往往会因此改变自己的行为。

被观察者一定会被观察者影响到,在做出选择时或者判断时,很容易因观察与否而影响结果。实验人员事先告诉一群小孩他们培养了两个实验老鼠品种:一种聪明,一种呆笨,然后安排小孩观察老鼠逃离迷宫。小孩报告聪明品种老鼠比呆笨品种老鼠更快逃离迷宫,而事实上所有实验老鼠只是随机挑选出来而已。

声音、身体的姿势、神色、动作、手势等都会或多或少的影响到被观察者。当然,更多的时候,我们作为观察者可能产生的影响根本微不足道,甚至可以忽略。但是,这个效应的存在,是我们必须了解的,尤其是在观察我们身边的人或者事物的时候。因为,我们往往只能通过观察了解这个世界,而我们的观察结果,以及对观察结果的理解,决定我们的行为、状态、以及下一步思考。

在量子力学中,“观察者效应”是说:“一个量子力学系统在某个特定状态被观察得越频繁,该系统就越可能保持原来状态。”


谢选骏指出:“观察者效应”(Observer Effect)似乎要比“不确定原理”(Heisenberg Uncertainty Principle)更加接近宗教的本质了,如果再往前一步,那就是“祷告的作用”了。这是我的看法。


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