关于光在水中为什么会折射，我有一个大胆的想法

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光的折射应该是大家在小学时就学到的自然现象，当时老师解释说折射是因为，光在不同介质间的传播速度不同导致的。而且可以通过若干物理试验证明，介质密度大小的不同（即光的传播速度不同）会直接影响折射角的大小，由此还能得出关于折射角与光在两种介质中传播速度比的数学公式。

我不想在这里讨论已经被大家奉为圭臬的这些理论，毕竟这些都是在研究光线折射之后的一些规律。就像万有引力一样，所有人都知道它在物理上和数学上的定律，相关公式也是久经考验正确无疑，但是，引力是如何产生的，却没有人能够说得清楚，仍然是一个迷。 同理，关于折射现象，我想重要而且核心的问题应该是：光，为什么要折射。

我之所以对这个话题着迷了起来，是了解到折射现象中，存在着一个诡异的特性。

如下图所示，光从A点出发，经过空气与水的表面，折射后到达B点。由于水的折射率与空气不同，所以光走的方向产生了改变，从A到B的路线中，光实际走的是一条折线，不是直线。

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现在运用你的想象力，作个假设。假设一束光走的路径是原本的直线，如下图虚线所示：

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三角形两边长度之和大于第三边，那么显然，AJB 这条直线路径对于光来说，应该要比 AKB 路径要短些。

但是有一点大家别忘了，我们的这一束光穿越空气，进入水中。光在水里的速度比在空气中慢。

请看 AJB 这条理论线，它的距离虽然比实际线 AKB 更短，但在水中的部分（JB）比实际线（KB）要长一些。所以，光线如果走这条理论线，虽然距离更短，但所费时间却比实际路线更长。

现在我们来看另外的一种情况，如下图，在 ALB 这条路线中，在水中的部分长度（LB），比实际上的路径（KB）更少，但它的总长度比实际线长得多。光如果走这条路线，花的时间也同样比实际线长。

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总结起来，并且可以证明的一个定律就是，光线除了观察到的这条实际路径，走其它任何一条假想的理论路径，它在旅途中所费的时间都比实际线更长。

换一句话说，如果要穿越两点之间的距离，光走的路径必然是耗时最少，即所需时间最短的一条。

这个规律对于光的反射来说，也同样成立。如下图，可以证明，除了实际反射路径 AOB 外，任何其它路径，比如 J 和 K 两个点，都有长度 AJB > AOB，AKB > AOB。由于反射时光线均在同一介质中传播，传播速度一致，所以路径最短也就意味着耗时最少。

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这就有点意思了，我们随便设计一些思维试验，就能发现悖论的存在。

比如说，现在假定有个光子在空气中的 A 点，你交给它一个任务，让它跑到水中的 B 点去，那它应该如何规划自己的路径，以便达到耗时最小这个目的？要换作是你，你肯定得先知道光在空气与水中传播速度的比例值，然后经过一系列的数学方程，计算出正确的路径。但是光子在 A 点还没开始跑，甚至都无法决定从哪个方向开始跑，又如何知道自己之后在水中的速度是多少呢？

除非，光子有穿越时空的本事，它先自己跑到水中，得到在水里面的速度之后，再穿越回来，告诉还在起点的光子，这样它就有足够的信息，决定该走哪条路径了。

我并不相信光子可以穿越时光的限制，所以，我准备从另外一个角度来表明我自己的猜想，不过需要先来了解几个基本的物理学假设。

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因为光子也是属于量子的一种，所以诡异的量子物理现象是绕不过去的了。总的来说，量子有两类违背常理的现象，量子幽灵和量子纠缠，这里我主要讨论幽灵现象。

上个世纪的一些物理学家，想通过一些实验来研究电子运动轨迹的规律，然后他们发现每次观察的电子位置都不确定。甚至令人感到惊讶的是，电子好像知道科学家们什么时候在观测它，当有人在看它时，它就显露本身，呈现出确切的一条运动轨迹，当没有人观测时，它就好像无所不在，理论上任何一条轨迹都可能有它的身影。就好像电子拥有一双上帝般的眼睛，知道人类在观测自己的时候，就故意把自己暴露出来，只按一条路径跑，否则就把所有可能的路径同时跑一遍。

后来物理学家海森堡提出了自己的看法，也就是测不准原理。简单来说，我们去观测电子的手段，也就是“看”本身，也是要依赖光学原理的，需要使光子去碰撞我们的观测对象，然后反射回来，我们才能“看”见。而电子本身就非常微小了，让一个光子去与它碰撞，已经足以改变它本身的运动参数，这就好比，我们为了观察一个乒乓球，扔了一个保龄球去撞击它。

这个道理似乎能够解释得通，不过这还不算完，因为后续的科学家又在实验当中，观察到了更加匪夷所思的现象。

光的双缝干涉实验大家应该都学过的，如下图所示，光子在通过 S2 面板的时候，如果 S2 有两个孔，则会在后面的 F 上面形成干涉条纹，如果 S2 只有一个孔，就不会出现干涉条纹。而 S2 上面究竟是一个孔，还是两个孔，是由光子穿过 S2 的那一瞬间决定的，如果那一瞬间我们挡住一个孔，那么就只有一个孔。

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那么现在有两个问题。第一，当光子到达 S2 面板 c 孔的那一瞬间，我人为地把 b 孔给遮住，这样 S2 面板就只有一个孔，也就不会出现干涉条纹。问题是，那一瞬间，光子是如何知道我把 b 孔给遮住的呢？要知道光子是非常微小的东西，bc 间的距离对它来说可能就意味着大半个宇宙那么远，它居然可以实时地知道 b 孔有没有被我们盖住，上帝之眼吗？

第二个问题更加离奇，假如 S2 与 F 面板间的距离很长，以致于光子在到达 F 面板之前，我们有时间来人为地打开或盖住一个孔。于是我们先遮住一个孔，发射单个光子，当确定单个光子已经通过 S2 后，没到达 F 屏幕之前，再把遮盖物拿掉（瞬间变成双缝），按理说，光子已经选择了一条路径前进，通过 S2 的时刻只有一个孔，F 面板上应该只出现一个点，但实际上，却出现了干涉条纹！好像拿掉遮盖物这个动作，导致了时光倒流，这个光子重新回到双缝前，并分别同时穿过两条窄缝，形成自我干涉。观察者现在的行为决定了光子过去的路线，因果律崩塌了，就好像拍完电影以后，才决定你的角色。

在1999年的时候，科学家设计出了一个相当精密复杂的装置，通过实验的方法，证明了上面的这个现象，这个试验叫做“量子路径擦除实验”。这个实验装置看起来大概像下面图片这个样子，实验的过程比较复杂难以理解 ，我这里就略过不讲，大家感兴趣的话自行上网搜索资料。

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这个实验的特别之处在于，我们在一个光子通过 BBO 双缝后，把它一分为二，一个朝上跑到 D0 处成像，另一个向下经过 PS 棱镜进入一个特别的装置，这个装置能够选择性地监测这个光子的来源路径，也就是检测出这个影子光子，是从 BBO 上面那个缝，还是下面那个缝过来的（图片红、青两种颜色标明的路线）。有了这个装置，我们就可以选择观察路径信息还是擦除路径信息，当我们观察路径信息的时候，系统的路径信息就被泄露了，就不会有干涉。而当我们擦除路径信息的时候，它就没有被泄露，因而我们知道，干涉仍然存在。

同样的，一个光子也是先在 D0 上成像后，我们再决定要不要在擦除路径装置中观察另一个光子的路径信息（两个光子是从同一个光子分出来的，所以路径是一致的），从直觉上我们觉得，既然此时第一个光子已经打在 D0 屏幕上，并且拍了照片，那么我们后面的决定将不会再对干涉产生影响了，因为它早已经发生了，实验的结果表明，并不是这样。

这样的话，我们似乎就不得不认为，光子具有某种神奇的预知未来的本领，它可以预先知道我们在它到达屏幕之后会做出什么决定，然后按照我们将来的决定，配合我们演了一场戏，以确保我们不能同时知道它的路径信息和干涉条纹；又或者说，我们在未来的一个决定，穿越时空，回来影响了过去拍下的照片？！

这个结论是不是跟上面讨论折射时的很类似？在折射现象里面，光好像也是穿越到未来，知道自己在水中传播的速度之后，再回来影响自己的决定。

这种颠倒因果关系的现象非常难以解释，但是科学家们并没有放弃，可能最终的解释还是得落到量子的不确定性上来。除了量子位置的不确定性外，量子的运动路径也存在着不确定性。也就是说，一个粒子在到达目的地时（比如下图中从 A 到 B），曾经试图经过所有可能的路径，甚至一些看似不可能的路径。

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同样的，这个理论最近也被科学家所设计的实验证实了。2016年12月，《Nature》杂志发表了一篇实验文章（https://www.nature.com/articles/ncomms13987），一群物理学家在光前进的道路上放置了三个狭缝，结果发现，光真的在试图尝试各种可能的路径——甚至看似不可能的路径。例如，光居然会沿着图中的红色路线，从 A 狭缝跑出去，然后从 B 狭缝倒着走回来，最后再从 C 狭缝跑出去，跑到对面的探测器上。现在，你还依旧相信光是走直线的么？

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总结起来，量子的不确定性就是意味着，量子的状态或是运动轨迹同时存在着无数种可能，当你进行观测时，无论是在时间上先还是后，无数可能性便会立即坍缩成唯一确定的现实。就好像是“薛定谔的猫”一样，你不去看它时，这只猫既是死的，也是活的，同时存在两种状态，一旦你打开箱子去看个究竟，那么猫就只会有一种状态，死的或活的。

猫怎么能同时既是死的，又是活的呢？很难接受对不对？如果我告诉你另外一个概念，或许就会豁然开朗了，那就是：平行宇宙。

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还是先来仔细看一看“薛定谔的猫”这个思维试验，这个试验的伟大之处在于，它把微观的量子世界与宏观的日常世界联系了起来，使得量子的不确定性影响到宏观世界的表现，从而被我们感知到。

假如现在你把一只猫关在一个盒子里面，然后在盒子里面放置三个物品：一瓶装着致命毒药的管子，一把锤子，和一个放射性探测器。你还需要一种放射性材料，这种材料会有50%的机率产生射线，并且根据量子规则，没有任何方式可以事先预测它会不会衰变并发出射线。

接下来，你把所有东西联接在一起，一旦放射性探测器探测到放射性物质放出射线，锤子就会打破管子释放出毒药。把猫放进去关掉盒子后你就等着，然后就会有50%的机会小猫被毒死了，一切都取决于放射性衰变。这时量子效应正在出现，但是造成的后果是宏观的，足以让我们看见。

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但是除非你打开盒子，否则你无法知道放射性衰变发生了没有，因此你也没有办法知道管子有没有被打破，以及那只猫是死了还是活着。

就像粒子能够同时从干涉实验中的两条缝穿过一样，放射性衰变也同时发生了和没发生，只要没有人在看。你打开盒子去看这个动作，就与实验本身发生了某种作用，你观察了，而当有人进行了观察，大自然就必须作出选择，把所有同时存在的可能性，选择一种来呈现给你。

那么猫有两种可能性，你看到了其中一种，另一种跑哪儿去了呢？

其实哪儿都没跑，另一种可能性也同时存在着，只是成为了宇宙的另外一个分支，这就是平行宇宙的理论。平行宇宙理论认为，整个宇宙在每次作出选择时产生了分支，缘于实验或是其它观察，因此应该存在着无法想象之多的许多平行宇宙，其中每一种可能性，每一种可能的后果都以事实存在。

多重宇宙的想法实际上已经得到了弦理论的支持，弦理论认为我们的宇宙是十维的，理论物理学家们推测，结合多余维度以构成一根弦的可能性非常之多，大约有 100,000,(后面跟500个0) 种不同的可能性，每一种可能性都有对应于一种宇宙的可能，我们出生于其中的那一个宇宙只是众多宇宙中的一个。

但是我们作为人类本身已经存在这件事实，这个宇宙必须选中一组特殊维度的组合，否则它的自然法则将无法允许我们存在。这种选择是如何发生的？依然没有人知道，只知道这种选择必然已经发生，否则你我就不会存在此处，存在我们的宇宙当中。

唯心主义哲学认为，“存在即被感知”，结合起来就是说，正是因为我们的意识感知到了这个宇宙，宇宙才由此产生，并不是宇宙创造了我们，而是我们意识的诞生选择了这个宇宙，也就是“人择原理”。再者，根据奥卡姆剃刀原则，那些我们并不存在的无数个宇宙，对我们而言是没有意义的，所以可以直接认为并不存在。这样一来，通过意识进行观察的活动，导致无数平行宇宙只确定一种唯一的可能性给我们，这种说法可以改成：在观察的那一瞬间，除了我们这个宇宙之外的其它平行宇宙，消失了。

好了，这个话题点到为止就此打住吧，再写下去感觉我自己也要精神分裂了。接下来我想通过一个有趣的例子，来简单说明我们选择自己这个平行宇宙最核心的要素：时间。

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排序算法大家应该都很熟悉了，比较流行的方法有冒泡、插入、堆、快速等等，然而有个天才网友发明了一种不一样的实现方式，叫做“睡眠排序”法。

这种排序算法用 Python 代码实现示例如下。

import thread
from time import sleep

items = [2, 4, 5, 2, 1, 7]

def sleep_sort(i):
        sleep(i)
        print i

[thread.start_new_thread(sleep_sort, (i,)) for i in items]

我在这里用大白话来解释一下，方便那些不懂程序的朋友，不过为了跟本文主题更贴切，我这里修改一下，我们的任务并不是把许多数字从小到大完全排列好，我们只需要找到里面最小的那个数字就好了。

对于这个找最小数字的任务，“睡眠”法的解决思路大概是这样的。假如你是个老师，现在你拿到了6个数字，分别分给6个不同的小学生，并给他一个秒表，告诉他开始秒表计时，每个人拿到数字是多少，就倒计时多少秒，倒计时结束时，那个学生就大声念出自己的数字。

这样，拿到数字最小的那个学生，自然就是最早念出数字的那个人，我们也就得到了最小的数，其它的同学也就可以放弃自己的任务了，因为最终任务：找最小数，已经完成。

这个故事是不是应该有点小启示？最快，最早，和上面讨论的耗时最小，很雷同嘛。

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最后，把上面讲了一大堆的物理和时间的东西总结一下，主要有以下几点：

  • 由于量子的不确定性，光线在被我们观察到之前，理论上会尝试所有可能的运行路径。
  • 光子尝试的每一种可能性，都存在着一个相应的平行宇宙。
  • 有意识地去观察或感知，会导致一个现实宇宙被选择，其它无数个平行宇宙消失。
  • 对于感知来说，选择的方式是时间，最早到达我们眼睛里面的光子，就是第一个被感知的。

把这些因素综合起来考虑，就是我现在想要提出关于折射现象的解释。光从空气中的 A 点，到达水中的 B 点，确实存在着无数种可能性的路径，但实际上的那条路径因为耗时最小，所以也是最早被我们意识感知到的，一旦意识感知到后，其它可能性路径组成的平行宇宙自然消失，只剩下我们现实客观的世界。

不过这也只是根据一些物理学家的假设，推断出来的更加经不起推敲的胡思乱想。这个灵感闪现在我脑中可能也就几秒钟，但是花心思把文章构思好，写出来，却花了几天时间，创作，真的是件很难的事情。

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参考：

  • 量子擦除实验 https://www.youtube.com/watch?v=tafGL02EUOA
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Delayed_choice_quantum_eraser
  • https://www.nature.com/articles/ncomms13987