親愛(ài)的讀者,為了解釋這個(gè)困繞無(wú)數(shù)人、驚掉人下巴的電子雙縫干涉延遲實(shí)驗(yàn),我們必須先從四個(gè)實(shí)驗(yàn)談起,步步分析。
第一個(gè)實(shí)驗(yàn):光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)
在中學(xué)課本上就有的叫楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn),就是把光源放在一張開(kāi)了一個(gè)小孔的紙片前,然后在后面再放一張開(kāi)了兩道平行狹縫的紙片。
光從第一張紙片的小孔中射入,再穿過(guò)后面紙片的兩道狹縫,然后投到屏幕上,這樣會(huì)形成一系列明、暗相間的條紋,這就是光的雙縫干涉現(xiàn)象。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)史上是一個(gè)聞名而經(jīng)典的實(shí)驗(yàn),撼動(dòng)了牛頓長(zhǎng)達(dá)一百多年光粒子學(xué)說(shuō)的統(tǒng)治,是光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)被再次確認(rèn)的有力證明,所以意義非同凡響。
直到愛(ài)因斯坦的光量子理論被認(rèn)可,光的粒子學(xué)說(shuō)才再次翻身,從此,光既有波性,又有粒子屬性的波粒二象性,最終被物理學(xué)確定下來(lái)。
第二個(gè)實(shí)驗(yàn):電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)
隨著量子物理的誕生,人們深入到了粒子世界,物理學(xué)家們把光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)由光粒子變成了電子,重復(fù)這這個(gè)實(shí)驗(yàn)。
物理學(xué)家把電子束從前木板的小孔中射入,讓電子概率性的穿過(guò)孔后的雙縫板,最后落入到后面的屏幕上,通過(guò)不斷的重復(fù)射入電子,屏幕上也出現(xiàn)了同光一樣的雙縫干涉現(xiàn)象。
電子雙縫實(shí)驗(yàn)同樣具有非凡的意義,這說(shuō)明了電子,包括其它粒子在內(nèi),都與光一樣具有雙縫干涉現(xiàn)象,這表明粒子也具有波性,粒子也具有波粒二象性,這是量子物理的一次顛覆性認(rèn)識(shí)。
第三個(gè)實(shí)驗(yàn):?jiǎn)坞娮与p縫干涉實(shí)驗(yàn)
物理學(xué)家想不明白的是:電子是真正的實(shí)體粒子,為什么會(huì)具有波性呢?是不是因?yàn)樯涑龅囊皇娮永?,含有多個(gè)電子,電子會(huì)互相干擾,因此產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象?
如果上述推理正確,那么實(shí)驗(yàn)時(shí),一次只射出一個(gè)電子,就應(yīng)該不會(huì)再發(fā)生干涉現(xiàn)象。
可是,奇跡發(fā)生了,人們?cè)趯?shí)驗(yàn)中,確保一次只發(fā)射一個(gè)電子,可最后還是出現(xiàn)了干涉現(xiàn)象。
這怎么解釋?單個(gè)的電子又與誰(shuí)發(fā)生了干涉?難道電子有分身術(shù)?一個(gè)電子怎么可以同時(shí)進(jìn)入兩個(gè)縫隙而發(fā)生干涉呢?這也太困惑了!
這個(gè)實(shí)驗(yàn)引發(fā)了量子物理的大地震,以波爾為首的哥本哈根派和以愛(ài)因斯坦、薛定諤為首的一派為此長(zhǎng)期爭(zhēng)論。
波爾和海森堡為首的哥本哈根學(xué)派們認(rèn)為:粒子具有波粒二象性,而且粒子性和波性處于疊加態(tài),就是說(shuō)粒子在某個(gè)時(shí)刻的特征態(tài)既是粒子,也是波,具有概率疊加態(tài)。
這種解釋如果擴(kuò)大到宏觀世界里的意思就是:“是這個(gè)樣子,又不是這個(gè)樣子”,“ 你走了又還在”,就是這種毫無(wú)邏輯的解釋。
這種解釋當(dāng)然無(wú)法讓人接受。
這也包括愛(ài)因斯坦在內(nèi),他堅(jiān)信大自然一定有一種規(guī)律在支配,確信“上帝不會(huì)擲骰子”。
同樣持反對(duì)態(tài)度的物理學(xué)家薛定諤,更是提出“薛定諤的貓”的思想實(shí)驗(yàn),認(rèn)為這就好比在說(shuō):“一只貓死了又活著”一樣的荒唐。
但波爾們堅(jiān)持認(rèn)為:粒子世界就是不確定性、概率性的疊加態(tài)的存在,確實(shí)有別于宏觀世界的荒唐,粒子遵守波函數(shù)的概率規(guī)律,觀察會(huì)導(dǎo)致波涵數(shù)坍縮。
后來(lái)的無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,支持著哥本哈根派們,他們?nèi)〉昧藸?zhēng)論的暫時(shí)勝利,建立起了量子理論的大廈。
第四個(gè)實(shí)驗(yàn):?jiǎn)坞娮与p縫干涉延遲實(shí)驗(yàn)
問(wèn)題到此還沒(méi)有完,粒子世界更玄、更顛覆常識(shí)的實(shí)驗(yàn)還在后頭,這不僅令物理學(xué)家們感到更疑惑,還令普通人感到恐懼。
這就是單電子雙縫干涉延遲實(shí)驗(yàn)。
在單電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,為了排除外界干擾,選擇在封閉的真空盒內(nèi)進(jìn)行,所以無(wú)法觀察到單個(gè)電子是如何通過(guò)小孔穿入雙縫,然后再投放到屏幕上的?
為了觀察到這一點(diǎn),實(shí)驗(yàn)時(shí)在盒內(nèi)裝上攝像鏡頭,以此拍攝單個(gè)的電子是如何同時(shí)穿過(guò)雙縫而形成干涉。
但匪夷所思的奇跡卻發(fā)生了,干涉條紋卻沒(méi)有了,取出攝像鏡頭再實(shí)驗(yàn),干涉條紋又有了,反復(fù)都如此,不論誰(shuí)做,在什么地方做,結(jié)果都一樣。
人們把這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果叫做電子雙縫干涉延遲實(shí)驗(yàn)。
第五個(gè)問(wèn)題:詭異實(shí)驗(yàn)的疑惑
電子雙縫干涉就象羞澀的少女,根本不讓你看,它似乎有意識(shí)和眼睛,只要你在看她,她就可以覺(jué)察,就會(huì)表現(xiàn)出不同的結(jié)果。
對(duì)于這種令人思維停止的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,所有人都搖頭不解,有人還設(shè)想粒子確實(shí)具有意識(shí),是意識(shí)在支配人的行為,唯心理論都誕生了。
不過(guò),請(qǐng)相信,科學(xué)是漫長(zhǎng)曲折的,今天的不懂和疑惑,將來(lái)一定不再。
從光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)開(kāi)始,最初的實(shí)驗(yàn)者托馬斯-揚(yáng)做完實(shí)驗(yàn),也是不解,當(dāng)他意識(shí)到這是光的波性,并對(duì)外宣稱時(shí),因?yàn)楹硠?dòng)了牛頓權(quán)威的光粒子學(xué)說(shuō),被人嘲笑和排擠。
直到20年后泊松亮斑實(shí)驗(yàn),證明光的衍射現(xiàn)象,牛頓的光粒子學(xué)說(shuō)才被推翻。
泊松亮斑
100年后,愛(ài)因斯坦的光量子理論被確定,光的波粒二象性才進(jìn)入教科書(shū),看來(lái)科學(xué)道路確實(shí)是曲折漫長(zhǎng)。
那么現(xiàn)在,對(duì)于單電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn),尤其是電子雙縫干涉延遲實(shí)驗(yàn),幾乎沒(méi)有一個(gè)明確而完美的解答。
如果你學(xué)量子理論,老師會(huì)說(shuō),量子理論你會(huì)算就行,不要問(wèn)為什么,因?yàn)槔蠋熞矝](méi)法解答。
量子物理的權(quán)威費(fèi)曼就說(shuō):“沒(méi)有人真正懂得量子理論”。
當(dāng)然,疑惑擺在那兒,不是不問(wèn)就沒(méi)疑惑了,無(wú)數(shù)的學(xué)者創(chuàng)立了各種學(xué)說(shuō),試圖解釋,但到目前為止,都不是很完美。
下面,我們例舉一個(gè)最有說(shuō)服力的前沿理論的解說(shuō)版本,在此僅供參考討論。
第六解答:新理論的解釋
這個(gè)新理論解釋雙縫干涉實(shí)驗(yàn),基于兩個(gè)基本原理:
第一原理:光的本質(zhì)理論
這一新理論認(rèn)為:
光的單個(gè)粒子在自然界有三種狀態(tài)形式:
第一種狀態(tài)形式:存在于光源或輻射源中。處于光速振動(dòng)態(tài),叫動(dòng)態(tài)光粒子,它具有光速動(dòng)能,
第二種狀態(tài)形式:普遍存在于粒子或物體中,也獨(dú)立于磁場(chǎng)內(nèi),叫磁粒子,它保持繞一核心自轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),且自轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)動(dòng)能之和等于光速動(dòng)能,
第三種狀態(tài)形式:處于靜止?fàn)顟B(tài),沒(méi)有能量,充斥于宇宙粒子的所有空隙。
這一理論強(qiáng)調(diào)認(rèn)為:靜態(tài)光粒子就是光的傳播介質(zhì),沒(méi)有介質(zhì)的波是不可能存在和傳播,也是不符合物理定律,
脫離介質(zhì)分析光的波粒二象性,是違背基本常識(shí)的物理錯(cuò)誤。否定光的介質(zhì)和“以太”學(xué)說(shuō),本身就是遺憾。
光粒子三態(tài)
這一新理論認(rèn)為:
光的三種形態(tài)的單個(gè)粒子,質(zhì)量是相等的,但能量是不相同的。
若設(shè)E0為光的單個(gè)粒子的能量,m0是質(zhì)量,V1為磁粒子的自轉(zhuǎn)速度,V2為周轉(zhuǎn)速度,C為光速,則:
震動(dòng)態(tài)光粒子的能量式:
E0=1/2m0C^2 (1)
磁粒子基態(tài)能量式:
E0=1/2m0(V1^2+V2^2)=1/2m0C^2 (2)
磁粒子激態(tài)能量式:
Ej=1/2m0(V1^2+V2^2)=m0C^2 (3)
靜態(tài)光粒子是沒(méi)有能量的,處于完全靜止?fàn)顟B(tài)。但能攫取也只能攫取所有等于光速動(dòng)能的能量,讓自身轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄馑賱?dòng)能的震動(dòng)態(tài)光粒子。
磁粒子
這一新理論進(jìn)一步確認(rèn);
光的三種狀態(tài)可以互相轉(zhuǎn)化,產(chǎn)生光的各種現(xiàn)象,構(gòu)成光的本質(zhì)特性。
1、光源的本質(zhì)與質(zhì)能方程
磁粒子在一般情況下處于基態(tài)能,即自轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)的動(dòng)能之和等于光速動(dòng)能;
但獲取能量后, 由基態(tài)變成激態(tài),即自轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)的動(dòng)能之和等于2倍光速動(dòng)能。
此時(shí),充斥于空間的靜態(tài)光粒子就能迅速攫取磁粒子激態(tài)能,周?chē)撵o態(tài)光粒子被轉(zhuǎn)化為震動(dòng)態(tài)光粒子,聚集于磁場(chǎng)或物體周?chē)葱纬闪斯庠础?/p>
磁粒子因?yàn)獒尫帕艘话氲哪芰?,重新回到基態(tài)形式,并保持穩(wěn)定狀態(tài)。
磁粒子的這一特性,使得磁粒子具有良好的穩(wěn)定性,因此成為粒子的最小結(jié)構(gòu)單位,構(gòu)成了相對(duì)穩(wěn)定的物體內(nèi)粒子和磁場(chǎng)。
磁粒子的自轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)的動(dòng)能之和等于光速動(dòng)能的特性,也是磁場(chǎng)和粒子內(nèi)能的貯藏形式和能量來(lái)源,同時(shí)也是解說(shuō)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程起源和本質(zhì)的基本原理。
質(zhì)能方程
2、波粒二象性與光速極限原理
光波:光源里的震動(dòng)態(tài)光粒子與充斥空間的靜態(tài)光粒子不斷互化,傳遞能量而形成光源的光速位移,實(shí)質(zhì)是光粒子的震動(dòng)態(tài)的光速能量傳播,而不是光粒子在空間方向的直線移動(dòng)。
宇宙物體和粒子都是浸沒(méi)在以靜態(tài)光粒子為實(shí)質(zhì)的大海里,一切具有輻射源性質(zhì)的物體或粒子,都將激活和擾動(dòng)靜態(tài)光粒子而產(chǎn)生光波現(xiàn)象,這與水波具有相似的原理。
由于光波的光源和介質(zhì)都是光的單個(gè)粒子本身,所以在光波路徑上的任意一點(diǎn),都表現(xiàn)出光的波性和粒子屬性,這就是光的波粒二像性。
一切浸沒(méi)在以靜態(tài)光粒子為實(shí)質(zhì)大海里的物體或粒子,只要出現(xiàn)光速動(dòng)能,就會(huì)被靜態(tài)光粒子攫取,形成光的能量波,向外不斷的傳遞和釋放能量,使得自然界的物體和粒子速度都無(wú)法超越光速,這就是光速的極限原理。
波粒二象性
3、電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的解說(shuō):
以靜態(tài)光粒子為實(shí)質(zhì)的宇宙大海,對(duì)于光的波粒二象性可以得到完美的解釋,那么,對(duì)于光的雙縫干涉和衍射的解釋,只要設(shè)想為水波就OK,在此無(wú)需多筆。
現(xiàn)在重點(diǎn)回到電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)設(shè)想:
如果我們把雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的設(shè)備搬到池塘里,然后向池塘里投擲石子,我們無(wú)需思考,必將出現(xiàn)水波的雙縫干涉現(xiàn)象。
現(xiàn)在,我們把池塘里的水換成靜態(tài)光粒子,把石子換成電子,電子的靶射就是投擲石子,這樣就會(huì)歸到電子的雙縫實(shí)驗(yàn),無(wú)疑,必將發(fā)生光的干涉現(xiàn)象。
實(shí)驗(yàn)分析1:
在電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,因?yàn)榘猩潆娮佣a(chǎn)生了干涉現(xiàn)象,量子理論認(rèn)為,電子具有波性,確定了電子具有波粒二象性,如果按此推理,向池塘投擲的石子,因?yàn)樗òl(fā)生了干涉現(xiàn)象,則也可以判斷石子具有波性?石子具有波粒二象性?
顯然,說(shuō)投擲的石子具有波粒二象性,具有明顯錯(cuò)誤,同樣,在電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,說(shuō)電子具有波粒二象性,當(dāng)然一樣,也是一種錯(cuò)誤。
實(shí)驗(yàn)分析2:
在電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)里,只要電子具有光源輻射性,就能擾動(dòng)以靜態(tài)光粒子為實(shí)質(zhì)的宇宙大海,形成光波,必然產(chǎn)生光的雙縫干涉現(xiàn)象,但不是電子的雙縫干涉現(xiàn)象。
電子的雙縫干涉現(xiàn)象,從事實(shí)上證明了靜態(tài)光粒子充斥空間的設(shè)想。靶射的電子具有能量,從而激活了空間的靜態(tài)光粒子,形成光源,產(chǎn)生輻射光波,出現(xiàn)光的干涉現(xiàn)象。
顯然,只要靶射的電子具有能量,靶射多個(gè)電子和單個(gè)電子沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別,都將產(chǎn)生光的干涉現(xiàn)象是必然。所以實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3可以歸一。
同時(shí),投射到屏幕上的光斑也不是電子穿過(guò)雙縫后的投射班點(diǎn),更不是單個(gè)電子能同時(shí)穿過(guò)雙縫而具有疊加態(tài),電子消失于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原子捕捉,會(huì)產(chǎn)生電離現(xiàn)象,這可以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
4、電子雙縫干涉延遲實(shí)驗(yàn)分析:
繼續(xù)回到電子雙縫延遲實(shí)驗(yàn),在這里,為什么觀察和不觀察,實(shí)驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)了兩個(gè)完全不同的結(jié)果呢?
這里,我們必須要用到一個(gè)新理論來(lái)解說(shuō),這就是慣性圓周運(yùn)動(dòng)原理,內(nèi)容是:
一切星體或粒子在不受任何外干擾的前提下,將保持繞一核心勻速自轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變,外界干擾是改變和破壞這一狀態(tài)的原因,且都具有動(dòng)能:
E=1/2m(V1^2+V2^2) (4)(V1為自轉(zhuǎn)速度,V2為周轉(zhuǎn)速度)
這一原理有九個(gè)解讀
解讀一:星體和粒子在理想不干擾時(shí),保持勻速圓周狀態(tài),但外界干擾無(wú)處不在,所以實(shí)際觀察到的狀態(tài),都是干擾后被改變的變態(tài)。
解讀二:星體實(shí)際狀態(tài)為相對(duì)穩(wěn)定的變速橢圓運(yùn)動(dòng),因?yàn)樾求w抗干擾能力強(qiáng),受干擾穩(wěn)定。
解讀三:粒子實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)表現(xiàn)為不確定性規(guī)律,是因?yàn)榱W涌垢蓴_能力極弱,外界干擾具有不可預(yù)測(cè)性和不確定性,可以用熱力學(xué)第二定律去理解,所以粒子慣性圓周運(yùn)動(dòng)是常態(tài)性的、不確定性的破壞和改變。
解讀四:粒子運(yùn)動(dòng)的真實(shí)規(guī)律是:慣性圓周運(yùn)動(dòng)受不確定性能量干擾被破壞、干擾減小或消失后又回歸、再受干擾再破壞的不確定性的往復(fù)變化。
解讀五:粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡始終是慣性圓周運(yùn)動(dòng)破壞后再回歸的漸變,所以其運(yùn)動(dòng)的軌跡仍然是核心不變的圓周云的概率軌跡,如電子的軌跡,就是圓周云的概率軌跡。
解讀六:粒子的運(yùn)動(dòng)描述符合統(tǒng)計(jì)概率方程的概率解,方程的解集是確定核心的圓內(nèi)點(diǎn)的集合。
解讀七:粒子脆弱的抗擾能力決定了任何觀察和測(cè),量行為,都是對(duì)粒子的擾動(dòng),因?yàn)樗械挠^察是“光察”,測(cè)量是“電量”,這都是對(duì)粒子慣性圓周運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的破壞和改變。所以粒子具有不可測(cè)性或測(cè)不準(zhǔn)性。
解讀八:慣性圓周運(yùn)動(dòng)是星體和粒子的屬性,正是因?yàn)樽陨砭哂兄苻D(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的動(dòng)能,因此貯藏了內(nèi)能,才能在不受干擾和能量不損失的前提下,將保持恒定的自轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變。
解讀九:鑒于以上分析,無(wú)論是粒子組合,還是星系構(gòu)成,不再需要任何牽引力或能量來(lái)組合,繞同一核心的慣性圓周運(yùn)動(dòng)是大自然的普適原理。
電子的圓周云的軌跡
物理學(xué)是研究星體或粒子的慣性圓周運(yùn)動(dòng)被破壞的原因和規(guī)律,而不是去尋找和統(tǒng)一所謂的牽引力或組合力。
根據(jù)這一原理的解讀,對(duì)電子雙縫延遲實(shí)驗(yàn)的解答如下:
電子雙縫干涉延遲實(shí)驗(yàn)分析:
當(dāng)觀察設(shè)備不介入觀察時(shí),靶射電子在穿過(guò)小孔后,釋放靶射時(shí)多余的能量,激活靜態(tài)光粒子,形成輻射源和光波,產(chǎn)生光的雙縫干涉現(xiàn)象。
由于電子具有圓周運(yùn)動(dòng)的慣性,電子在釋放多余的能量后,將恢復(fù)圓周運(yùn)動(dòng)狀態(tài),從而被實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原子捕捉,實(shí)驗(yàn)設(shè)備因電子多余轉(zhuǎn)變?yōu)殡婋x態(tài),產(chǎn)生電現(xiàn)象。
當(dāng)觀察設(shè)備介入觀察時(shí),請(qǐng)重點(diǎn)看解讀七,當(dāng)靶射電子在穿過(guò)小孔后,由于這個(gè)觀察設(shè)備必然是“光察”和“電測(cè)”,這構(gòu)成了對(duì)電子慣性圓周運(yùn)動(dòng)回歸的干擾。
因?yàn)椤肮獠臁睌_動(dòng)的持續(xù),電子無(wú)法回歸慣性圓周運(yùn)動(dòng),被破壞為不確定性無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng),電子在小孔和雙縫之間無(wú)法停留和釋放能量,也就不能激活靜態(tài)光粒子而形成輻射,而是四處撞壁,使得雙縫干涉現(xiàn)象不能再現(xiàn)。
在碰撞中的電子,要么是被實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原子捕捉,電離能量被“電量”設(shè)備中和,要么是概率性通過(guò)雙縫,在雙縫和屏幕之間激活靜態(tài)光粒子,或直接打射到屏幕上,使得雙縫干涉現(xiàn)象不能再現(xiàn)。
電子雙縫干涉延遲實(shí)驗(yàn)推演預(yù)測(cè):
1、將觀察設(shè)備置于雙縫前和雙縫后,分別實(shí)驗(yàn),兩次實(shí)驗(yàn)屏幕圖像將不會(huì)一致。
2、實(shí)驗(yàn)盒四周均做成屏幕,觀察設(shè)備介入和不介入,四周屏幕斑點(diǎn)會(huì)不一樣。
以此表明,觀察會(huì)干擾電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
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