熊熊生活小知识 学习 一个电子的双缝干涉实验(最恐怖的物理实验双缝干涉)

一个电子的双缝干涉实验(最恐怖的物理实验双缝干涉)

  光是粒子波?

  这个问题在物理学界充满了争议,持续了几百年的争议。在物理学家眼里,波就是波,粒子就是粒子,两者截然不同。一个物体怎么可能既是粒子也是波呢?这说不通,而且也非常违背我们的日常生活认知。

一个电子的双缝干涉实验(最恐怖的物理实验双缝干涉)插图

  为了验证光到底是粒子还是波,物理学家们做了很多实验,其中一个非常著名的实验就是双缝干涉实验,相信大家都听说过。

  实验并不复杂,也很好理解。两条狭缝,一个光源可以发射光子。

  一开始的实验并不是两条狭缝,而是一条狭缝,把光源打开照射狭缝,狭缝后面的屏幕上看到的是单个条纹,中间明亮,越往外越暗。这说明光是波,通过单条狭缝时,发生了衍射。

  接下来物理学家用双狭缝做了同样的实验,屏幕上出现了多条干涉条纹。这样的结果也比较容易理解。光在通过双缝后发生了关涉,就像水波那样有波峰波谷。

一个电子的双缝干涉实验(最恐怖的物理实验双缝干涉)插图1

  截至目前一切看起来没有什么问题,光就是波。

  但“粒子派”物理学家非常不服气,接下来他们做了改良版的双缝干涉实验,让单个光子一个个通过双缝(不要纠结物理学家怎么做到的,相信他们的异于常人的大脑和思维)。

  一个光子就像一个球那样。在现实生活中很容易想象到会出现什么结果。如果我们向双缝不停地发射玻璃球,最终屏幕上会呈现两条明显的痕迹,这很符合我们的日常生活认知。

  但是实验结果让所有人都大吃一惊。物理学家向两条狭缝一个一个发射光子,屏幕上呈现的并不是两条明亮的条纹,而是多条明暗相间的条纹。很明显,光子在通过双缝后发生了干涉,形成了干涉条纹!

  这样的实验结果很不符合通常的逻辑。要想产生干涉条纹,意味着光子必须同时通过两条狭缝。但事实上科学家是一个一个发射的光子,理论上不可能同时通过两条狭缝!

一个电子的双缝干涉实验(最恐怖的物理实验双缝干涉)插图2

  物理学界一下炸开了锅,如此诡异的现象让所有人都没有想到。物理学家做实验的目的本来是为了验证光到底是粒子还是波,没想到最后给物理学家出了更大的难题。结果就是“光是粒子还是波”已经变得不再重要了,物理学家必须赶紧解释实验结果!

  光子到底是如何同时通过两条狭缝的?

  要想弄清楚答案,其实也不难,在狭缝旁边安装摄像头直接观测不就行了吗?我们都能想到,物理学家当然不会想不到,他们真的这样做了!

  不过实验的对象由原来的光子换成了电子。理由很简单,电子有质量,还有电荷,更容易观测,而光子很难观测,毕竟我们需要有光反射到眼睛里才能看到。如果实验的光子直接反射到我们眼睛里,实验也失去了意义,而想让实验的光子反射外界光子也很难做到。

一个电子的双缝干涉实验(最恐怖的物理实验双缝干涉)插图3

  结果一波未平一波又起,物理学家确实看到了电子是从哪条缝通过的,但没想到他们的观测竟然会影响最终的结果。

  屏幕上多条明暗相间的条纹竟然神奇地消失了,变成了两条明亮的条纹!

  也就是说,在没有观测之前,电子能同时通过两条狭缝。而一旦实施了观测,就乖乖地“排队”,一个一个有序地通过狭缝,就像玻璃小球那样。

  物理学家们真的要疯了!但恐怖的事实还在上演,接下来的实验真的让物理学家们为之发狂!

  不承认物理学家们聪慧的大脑:既然观测可能会影响电子通过双缝时的状态,我们在电子通过双缝还没有达到屏幕之前观测总没问题了吧?

  于是实验又开始了,物理学家们在双缝后面安装了摄像头,想看看到底是如何通过双缝的。

一个电子的双缝干涉实验(最恐怖的物理实验双缝干涉)插图4

  诡异的事情又上演了。电子就好像能“读懂”物理学家们的思想一样,当摄像头打开观测时,电子“乖乖地”变成了“玻璃球”,屏幕上呈现两条条纹。而一旦关闭摄像头,屏幕上再次呈现多条明暗相间的干涉条纹。

  这个实验就是延迟实验。实验结果明显违背现实世界的因果律,因为电子通过双缝后状态已经确定下来,是粒子特性还是波的特性没法改变。但实验结果表明,人们的观测似乎改变了电子通过双缝时的状态。

  要知道,是人们的观测在后,电子通过双缝在前!也就是说,后发生的事情影响了之前已经发生的事情,结果可以影响原因!这太疯狂了!往大了说:我们可以改变历史!

  爱因斯坦坚信自己的信仰:因果律不可能被打破。而以波尔为代表的“哥本哈根学派”开始“洋洋自得”:看到实验结果了吧,一切都是不确定性决定的,在电子没有被观测时,一直处于叠加态,不可能准确描述电子的状态。一旦实施观测,电子的状态就确定了,这就是所谓的“坍缩”!

  波尔接着解释到:在量子世界,没有所谓的因果律,只有互补原理。原因和结果并不是我们传统认为的因果关系,两者是互补关系,可以互相影响,形成互补关系。

  波尔的解释确认让人摸不着头脑:将来的事情可以影响到现在和过去。这句话如果不是出自著名物理学家波尔的口中,如果不是有真实的实验来证明,你是不是会认为说这话的人疯掉了?

  难怪物理学家费曼会说:没有谁能真正懂得量子力学。他说这话的深层含义其实是我们不能用现实世界的日常认知去理解量子世界。

一个电子的双缝干涉实验(最恐怖的物理实验双缝干涉)插图5

  但毕竟微观世界与宏观世界并没有明显的分界线,我们本身也是由微观粒子组成的。如果像电子这样的微观粒子拥有波的特定,位置和速度都不确定,可以随时出现在原子核周围任何地方,那么理论上我们人类也应该有这种特性。

  而德布罗意提出的“物质波”概念确实提到了这点,他指出“万物皆波”,万物都有波动性,而且可以结算出波长,公式为:

一个电子的双缝干涉实验(最恐怖的物理实验双缝干涉)插图6

  λ就是物体的波长,h普朗克常数,m物体质量,v物体速度。质量越大,波长越小。我们在宏观世界看到的物体波长实在太小了,所以一般都会表现出粒子特性,而不是波动性。

  但纯理论上分析,仍有那么非常非常微小的概率,你也可以同时通过两条狭缝,你可以同时出现在两个不同的地方,比如此刻的你正在读这篇文章,同时你也有可能在月球上或其他任何地方。

  看到这里,是不是彻底疯了?

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