光子再现新特性，或可解开量子物理学诸多谜团

一提到“光”，世人再熟悉不过了，可以说我们每天，不，应该说是每时每刻都在与“光”打交道。正因为有“光”的存在，我们才能看到多姿多彩的世界；正因为有“光”的存在，地球上的生命才能世代繁衍；也正因为有光的存在，我们才能探索宇宙，探索科学。

寻常中隐藏着非凡，万事万物皆非偶然。既然光与我们人类的生活如此的密不可分，与宇宙万物都存在着一定的联系，甚至是整个可视宇宙的支撑框架，那么研究“光”就非常有必要了，说不定光就是宇宙万物存在的根本，构成宇宙万物的终极单元。

我们且不去追寻“光”为什么会存在，因为这就像动画里的卡通人物，突然意识到它们为什么会存在一样，估计很难探究出个所以然来。但我们可以去研究已经存在并对我们如此重要的光的性质，去挖寻隐藏在“光”里的“宝藏”，也许它可以改变我们的整个世界。

如果问，光具有什么特性？也许大多数人能说出来以下几种：

光在均匀介质里以直线传播，光具有反射、折射、散射、干涉、衍射现象，光遵守光学的反射、折射定律，两束光在传播过程中相遇彼此不受干扰，光具有波粒二象性，光具有光电效应、光化学效应、声光效应现象，光速为宇宙中最快速度等。

如果追问：光是否还存在有其他特性？估计很多人会摇头或沉默了。接下来我们要探讨分析的就是科学界目前一直在争论、难以确定下来的光的另外三个不被常人所知道的特性。探索科学，探索宇宙，水木长龙与您继续我们的探索之旅。

光子的无时性。

该性质主要源于杨氏双缝干涉实验的延伸实验——单粒子双缝干涉实验——的推测。

一束光通过两狭缝可以在屏幕上形成干涉条纹，如果换成一个一个光子向两狭缝发射的话，屏幕上又会形成什么样的图案呢？

也许会有人说，那一定不会再形成什么干涉条纹了，因为单个光子不可能与自身发生干涉吧？！

然而实验结果却是出人意料的。随着一个个光子不断地发射出去（每次都等前面发射的光子落到屏幕上后才开始发射下一个光子），刚开始屏幕上不断出现的光子点似乎是毫无规律的一片散沙。然而随着不断增多的光子点的出现，渐渐地屏幕上开始呈现出有规律的干涉条纹出来。随着光子点的继续增多，屏幕上明暗相间的干涉条纹也变得越来越清晰。

实验结果令科学家不敢相信自己的眼睛：单个光子也能形成干涉条纹？难不成光子还会自己跟自己发生干涉？果真如此的话，它是怎么做到的呢？

科学家百思不得其解。最后有研究者给出了一个大胆的推测，认为，只有光子具有“无时性”，才能做到如此。

研究者对“光子无时性”推理的解释是：

假设对光子本身而言，并不存在时间效应，即并不受时间的约束的话，那么就等于光子可以在任一时刻（相对于我们现实中的时间而言）出现在宇宙的任何地方（光子的无时性同时也让距离失效了，即对光子而言，不存在距离感，也就是说“时空”对光子而言已经失去作用）。在同一时刻，能够出现在宇宙的任何地方，对于我们而言，也就意味着光子具有“分身术”。换句话说也就是，即使一个光子，在任何一个时间点（相对我们的时间而言），它都可以同时出现在宇宙中的每一个地方（顺便思考一下：如果该推理被检验正确，那么有没有这种可能——我们的整个宇宙实则只存在一个光子？）。

所以，由于光子具有“无时性”，无视时间的存在，可以同时出现在任何地方，所以在单粒子双缝干涉实验中，即使一个一个地向双缝发射光子，光子通过与自己的“分身”发生作用，照样可以在屏幕上形成相应的干涉条纹。

光子的隐秘性。

我们还是以单粒子双缝干涉实验中所遇到的某种奇异现象来探讨分析。

在单粒子双缝干涉实验中，当科学家发现，单个粒子的发射也能在屏幕上形成干涉条纹时，刚开始令几乎所有的物理学家都感到惊奇。于是他们就想弄清楚光子到底是怎么穿过狭缝并自己与自己发生干涉的。

他们首先是戴上特殊眼镜通过镜片的闪光，来判断单个光子的发射每次到底通过哪个狭缝。然后，令他们意想不到的是，当他们盯着狭缝想要看看光子是怎么个穿越法时，却发现，一旦他们想弄清楚光子的穿越路径时，屏幕上最终只能形成杂乱无章的图案，而不能形成干涉条纹。

于是，哥本哈根派的学者们争相研究，都想弄清楚光子的这种奇异特性。于是态叠加原理，不确定性原理，薛定谔的猫，波函数坍缩，纷纷登场。

哥本哈根的解释是这样的：

光子在未被观察测量时，穿过两个狭缝的状态处于叠加态，即两个狭缝都有50%的概率被光子穿过，所以在屏幕上可以观察到干涉条纹。但是，一旦被观测了，光子的叠加态就消失了，即其波函数坍缩成了一种确定的状态，所以屏幕上只能看到杂乱无章的光子点。

可是，哥本哈根派的解释太笼统应付了，避开了主要的现象——为什么一观察光子的行为，就会导致叠加态消失，波函数坍缩呢？知其然不知其所以然，这怎么行呢？于是有研究者另辟新径，想从光子本身出发看能不能发现什么隐藏的端倪。

没过多久，光子的一种新特性——光子的隐秘特性——便被提了出来。持此观点的研究者们给出的解释是：

光子的实际传播路径遵循的是“整体队形法则”。每个光子在传播过程中都极力维持队形的完整性，即使个别光子在传播过程中不慎被障碍物吸收掉了，其余光子也会立马改变原先的传播方式，调整自己的行为规则，从而维持原先队形的不变性。正因此，我们才能看到光在传播过程中呈现出来的波动特性。但是，每个光子的具体传播行为却是隐秘的，即不容被窥视或探测，否则一旦一个光子的隐秘行为被观测窥视了，其余光子会为了替一个成员守秘而全部打乱“整体队形”（不得不承认，它们是宇宙中最有集体意识的一族）。

光子B：兄弟们，注意了，有人正在探测我的行为方式。

光子C：什么？还有人对我们单个光子感兴趣？

光子D：人类越来越聪明了，我们还是小心为妙。

光子A：老四说得没错，我们的行为方式是不能被探测到的，否则就是对宇宙失职。弟兄们，听我号令，无规则队伍变形启动！

众光子立马从有规则的队形变成了一盘散沙。

光子的预测性。

我们仍然以单粒子双缝干涉实验中所遇到的奇异现象来探讨分析。

当科学家发现，观察者的意识很可能是影响干涉条纹消失的原因时，便又想到了一种新的探测法。

既然对光子行为路径进行观察时，人的思想意识可能会影响到光子的路径选择，那么用没有意识的物体来记录探测不就可以了吗？于是，科学家想出了一个招，把一个记录仪放到双缝附近专门用来记录光子的路径选择。可是，令科学家困惑的是，即使是无思想意识的记录仪对光子进行观察，也会影响到屏幕干涉条纹的消失。这又是怎么回事呢？

有研究者给出的解释是，是记录仪装置本身发出的电磁场干扰了整个实验系统，才会导致光子退相干的发生。

既然如此，那就换个干扰可以忽略不计的记录方式不就行了吗？可是，无论科学家采取什么记录方式，哪怕在离实验设置很远的地方观察，仍然会影响到实验本身，导致屏幕无法形成干涉条纹。但是，只要不对光子进行观测，屏幕上就会形成干涉条纹。

难道光子能够预测人的意图？

于是，便有研究者推测出了光子的第三种新特性——光子的预测性。

对于放记录仪或者其他干扰影响可以忽略不计的记录设备仍然会导致干涉条纹无法形成的原因，研究者是这样解释的：

因为光子具有“无时特性”，所以时间对光子形如虚设，光子可以在过去，现在，未来之间任意穿梭，而且时间为0。也就是说，单个光子不但每时每刻能出现在宇宙的任何地方，也可以出现在任何时间。正因为光子可以出现在无论过去，现在，还是未来的任意时间点，所以对于光子来说，等于是可以提前预测未来即将发生的事件。也就是说，光子已经预测到了人会从记录下来的光子行为路径去观察研究，这与实际双眼直接盯着光子看会选择哪一个狭缝本质上并没有什么区别。所以，根据光子的“隐秘特性”，当然不会让人真正观察到它们的行为方式，也就不可能看到屏幕上的干涉条纹。

今天的分享就到这里，感谢对水木的支持。

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