双缝干涉实验,为什么让科学家们感到恐怖?

如果要评选科学史上匪夷所思的实验,那么这个桂冠大概率属于双缝干涉实验,它就像是物理学家们的梦魇一样,一直困扰着物理学家。那双缝干涉实验到底是一个什么样的实验呢?

经典物理学vs量子力学

如果要评选科学史上匪夷所思的实验,那么这个桂冠大概率属于双缝干涉实验,它就像是物理学家们的梦魇一样,一直困扰着物理学家。那双缝干涉实验到底是一个什么样的实验呢?

要了解这个问题,我们首先需要了解一下什么是经典物理学。话说在300多年前,牛顿提出了万有引力定律和力学三大定律,一举奠定了经典物理学。牛顿的理论描述的是宏观低速世界的规律,描述的现象是具有确定性的,具有因果关系。

在经典物理学的世界观下,宇宙存在着一个绝对客观的规律,只要我们能够找到它,那就可以了解宇宙中的一切,这也被称为决定论

实际上,在近代之前,大多数的科学家都坚信这一点,即便是到了量子力学开始发展,量子力学的许多奠基人依然坚信这一点,其中就包括爱因斯坦,薛定谔等人,以至于他们最终站到了量子力学的对立面中去。

双缝干涉实验

双缝干涉实验在整个量子力学的发展过程中,都是科学家们绕不过的实验。著名的物理学家费曼曾经在他的著作《费曼物理学讲义》中这么评价双缝干涉实验:

双缝干涉实验展出的量子现象绝对不可能以任何经典物理学的方式来进行解释,它包含了量子力学的核心思想和量子力学唯一的奥秘。

双缝干涉实验的实验仪器设置实际上很简单。说白了就是把一束光照射到一块刻有两条狭缝的板上,光束通过狭缝之后,会照射到探测屏幕上。

科学家做了这个实验后发现,探测屏上出现了明暗条纹相间的图样。这个实验最早是用来证明:光具有波动性。这是因为这个现象可以利用干涉来解释,明亮的条纹是相长干涉区域,暗淡的条纹则是相消干涉区域。

另类“双缝干涉实验”

看似已经很好地解释了这个实验,但是事情在之后发生了反转。20世纪初,量子力学开始迅猛地发展。而量子力学的发展得益于科学家们在争论:光到底是粒子,还是波?

这就使得双缝干涉实验被推到了风口浪尖,因为如果科学家要认定光是一种粒子,那如何解释双缝干涉?

那这里的矛盾点其实就是:单个的“光”到底是呈现什么样的状态?

为了解决这个问题,科学家杰弗里·泰勒爵士设计了一个技巧的双缝干涉实验。他把入射光束的强度大大降低,使得在任意时间间隔内,最多只发射一个光子出来。这个时候,他就发现主要时间足够长,最终还会有干涉图样。这实验告诉我们即便是每次只有单个光子,这个光子也可以同时通过狭缝,也就是说它自己和自己发生了干涉。

不仅如此,后来还有一位叫做克劳斯·约恩松的科学家拿电子来做类似的实验,结果也得到了电子发生干涉的结论。类似的电子干涉实验,科学家皮尔·梅利也做过,他成功的让电子一颗一颗地发射出来,得到了干涉条纹。

量子擦除实验&延迟选择实验

但这还不是最诡异的还是这些实验。而是是基于双缝干涉实验衍生出来的量子擦除实验。这个实验的第一步就是重复一遍双缝干涉实验得到干涉图样。第二步就是:观察,看看光子或者电子从哪个缝通过,结果机会发现干涉图样消失了,之所以会消失是因为“路径信息”的存在。第三步就是消除“路径信息”,结果又可以重新得到干涉图样。

这实验直接就颠覆了经典物理学的因果律。也就是说,在量子世界中,因果律很可能是不存在的。同样颠覆因果律的,还有惠勒的思想实验“延迟选择实验”。

哥本哈根学派

基于大量的实验,我们可以发现量子世界的粒子无论是光子、电子,同时具有粒子性和波动性。这可以说让许多科学家都无法接受。因为在经典物理学中,粒子性和波动性是对立的,不可能是同一个物体的属性。这样荒诞的结果使得学术圈出现有两个阵营,一个是以爱因斯坦为首的波动派,另一个是以波尔为首的哥本哈根派。

哥本哈根学派的波尔提出了互补性原理,他认为光既是一种粒子,也是一种波

哥本哈根学派的波恩则提出概率解释,他认为我们只能知道粒子出现在某个位置的概率是多少,但无法确定粒子本身在哪,除非你观测它。

上帝不掷骰子

这种“概率性”的解释,以及“光同时具有波动性和粒子性”的观点是爱因斯坦等人无法接受的,因为这会导出一个观点,宇宙可能并不存在一个确定性的客观规律,这与决定论是相违背的。于是,爱因斯坦在和波尔的一次辩论中说道:上帝不掷骰子

你看,连爱因斯坦的都无法接受的现实,足以见得所以费曼才会说:没有人真的懂量子力学

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