双缝干涉实验恐怖?因为常识无法解释干涉条纹如何出现

估计很多初中生和高中生都做过双缝干涉实验,就是在两条平行的狭缝前面放一个光源,让光源通过两个狭缝,然后通过狭缝的光源会在两条狭缝后面出现几条明暗交替出现的亮光。

首先,双缝干涉实验不是在研制什么毁灭地球的武器,所以它没什么好恐怖的,只是它违反了一些常人的直觉而已,所以用“反常”可能更合适。

估计很多初中生和高中生都做过双缝干涉实验,就是在两条平行的狭缝前面放一个光源,让光源通过两个狭缝,然后通过狭缝的光源会在两条狭缝后面出现几条明暗交替出现的亮光。

图注:一束“光波”经过双缝后变成两个波相互干涉

这个是经典的杨氏干涉实验,它最早是19世纪初英国物理学托马斯杨设计制作的,目的是为了推翻超级学霸牛顿所统领的光的粒子说。

(题外话:牛顿所说的光粒子其实和现在说的粒子是不一样的)

如果光是粒子,那么它通过两条狭缝时只会出现与狭缝对应的两条亮光条纹才是,而如果光是波的话就不一样了,它通过两条狭缝后会变成两个波并互相干涉(就像湖面同时出现的两个水波一样),从而形成实验结果展示的那样,出现一系列明暗相间的亮光条纹。

图注:托马斯杨

经典的杨氏干涉实验让光的“波动说”取得了阶段性胜利,它很好理解,好像也没啥反常和恐怖的。

但是这个实验有一个“升级版本”,那就是量子力学中的单粒子双缝干涉实验,这个就很难理解,很反常了。

在单粒子双缝干涉实验中,物理学家让电子挨个通过两条平行的狭缝(和经典的一样),要知道电子可不是波,它确实是“成块”存在的一个粒子。

这里神奇的地方就出现了。

每次只有一个电子打出去,那么这个电子不是从左边的缝通过,就是从右边的缝通过,如果是这样的话结果是可预测的——电子会形成两个平行条纹出现在投屏上,因为没有另外一边的粒子或波和它完成干涉。

但是,结果让人大跌眼镜,单个电子和光线一样会在经过双缝后出现明暗交替出现的干涉条纹。

图注:单电子双缝实验形成的条纹模拟

其实,这个实验最早是在1909年,由英国物理学家杰弗里·泰勒设计并完成的,他让光子挨个发射并通过双缝,最终得到一张胶片,上面是明暗交替出现的干涉结果。

虽然是100多年前的实验,但杰弗里·泰勒的实验应该是很精致了,只是后面很多人做了电子的干涉实验,让结果更加“可视化”。

电子的干涉实验,确实让科学家们可以更容易观测和改变实验参数了,也正因为如此发现了更加“反常”的事。

如果人们想知道电子是如何完成干涉的,那就得知道电子是如何通过狭缝的,于是他们在两条缝的后面放个探测器,来检测电子从哪条狭缝通过。

这个探测器可以告诉实验者电子每次确实只会通过一个狭缝,常识已经无法解释它的干涉条纹是如何出现的了。

但是更奇怪的是,有了探测器之后,实验结果和没有探测器还不一样,添加了探测器后干涉条纹就消失了,它变成了我们猜测的那样——电子只会在狭缝后面形成条纹。

很神奇吧,这相当于,你不看它,它自己玩自己的时候是干涉条纹,你看它一眼,它好像能感觉到你在看它一样展现了你想要看到的结果。

用一些研究人员的话来说,这样的结果几乎耗尽了所有逻辑的可能性!

电子不像水波,因为你可以观察到它通过狭缝后只在一个位置撞击屏幕,它也不像水滴,因为它们会自己干涉并产生一系列条纹图案。

至于为什么电子会表现出这种现象,争论至今还在继续,甚至很多人怀疑这样的实验本身就是假的,所以我们也就无法确定事实究竟是什么。

但可以确定的是,电子正在做一些我们以前从未想过的,甚至连语言都无法描述的事情。

图注:第二排最右边那位就是玻尔

不过以玻尔、波恩、海森堡为代表哥本哈根学派试图解释这种现象,并把这种新的存在形式起了个名字叫做“叠加态”。

哥本哈根学派认为,电子既可以是波,也可以是粒子,它取决于“测量”,你用粒子的方式去测量它就展示粒子的形式,比如实验中你去观察它;你用波的形式去测量,它就展示波的形式给你,就像实验中出现干涉条纹一样。

而且不仅是电子,宇宙中的所有物质都是如此,从原子到大分子,再到实体物质都是一样的——既可以展示粒子的形式也可以展示波的形式,只是物体越大,就越难看到这些干涉条纹而已。

当然,这样的解释很多人不认可,典型代表就是爱因斯坦,他更相信物质是客观存在的,和你如何测量没关系,所以他会说“上帝不会掷骰子”。

当然,我们无法理解电子的行为也很正常,因为我们的大脑是在宏观世界中演化的,我们大脑很容易判断扔石头或者扔长矛等宏观物件的运动规律,但是微观世界超出了这个范畴。

为您推荐

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *