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為什么有人說雙縫干涉延遲實驗的結果很恐怖?

準確地說,真正讓人恐怖的不是雙縫干涉,而是單電子雙縫干涉,對于它的一種解讀可成為平行世界存在的證據。為了說明這,不妨先看看雙縫干涉的由來及意義。

最早也最有名的楊式雙縫干涉

在1704年牛頓發(fā)表《光學》后,光的波粒之爭,以牛頓的名氣,而使得光的粒子說獲得了更多的選票,占得統(tǒng)治地位。

而1807年,托馬斯·楊的一篇論文立馬扭轉了這個局面。在論文中他如下描述了一個實驗:

“使一束單色光照射一塊屏,屏上開有兩條狹縫,可認為這兩條縫就是兩個光的發(fā)散中心。當這兩束光射到一個放置在它們前進方向上的屏上時,就會形成寬度近于相等的若干條明暗相間的條紋……”



這就是大名鼎鼎的楊式雙縫干涉實驗。通過托馬斯·楊的這個實驗,人們測得了光的波長,從而為光的波動性提供了重要的實驗依據。

光的波動性開始重新受人矚目。1873年,麥克斯韋的《電磁通論》一書一經出版,光就是電磁波的結論一時間成了最主流的光學解釋。

但關于光粒子性的印象也同樣讓人難以舍棄,于是隨著光子概念被愛因斯坦提出,光的波粒二象性被科學界確認,并且所有的微粒子都具有明顯的波粒二象性。

但很多人對“波粒二象性”卻存在著這樣一種誤解:單個粒子表現為粒子性,而大量粒子表現為波動性。

于是,后來隨著實驗技術的成熟,科學家們用電子取代了光子,以單電子發(fā)射,看看又會出現什么情況呢?

詭異的單電子雙縫干涉現象

因為經典的波動學中,大家知道波要產生干涉現象必須是兩列波相互錯位疊加,才能產生明暗交錯的干涉投影。

如果只是一個粒子,應該就沒辦法干涉了。

為了證明這一點,科學家準備了一次只能發(fā)射一個電子的電子槍,在它前面同樣放置兩條狹縫,日常經驗告訴我們,電子只可能通過兩條狹縫的其中一條,后面最多只會出現兩條清晰的電子落點投影。

但令人詭異的是,實驗結果還是會出現明暗交替的干涉投影,就像一個電子同時通過了兩條狹縫,然后與自己干涉。

上圖為電子依次7、100、3000、20000、70000次通過后的投影。
這種不符合我們日常認知的實驗結果,讓科學家們非常困惑。

于是又有人想到安裝一種特殊的攝像頭看看電子到底如何穿過縫隙,實驗結果是電子只會隨機從一個縫隙里出來,絕不會分成兩半穿過。同時一旦這樣做了,干涉條紋就會消失了,實驗結果只會得到兩條明亮的條紋,但一旦關掉攝像頭,干涉條紋就又會出現。

這可在科學界炸開了鍋。這意味著:一旦觀察,電子就循規(guī)蹈矩的穿過縫隙形成兩條明亮的條紋,一旦不觀察,電子就自行干涉形成明暗交替的條紋。

就是因為這樣,單電子的雙縫干涉,被一些人解讀為由于人類的意識參與,而左右了實驗結果,這太可怕了,這是第一次在科學實驗中證明人類的自身意識決定了世界的客觀存在。

還有一種解釋是,電子實際上存在于同一時刻的多空間中,稱之為“空間疊加”,我們每次一次觀察都導致了世界的分裂,不同種情況同時出現在了不同的分裂世界中,這就是埃費雷特的多重世界詮釋。這也是所有科幻作家們,最喜歡的一個科學理論。


當然這些闡述,在隨后的科學發(fā)展中基本都被否定了。

科學家開始更深入地研究單電子雙縫干涉,他們認為可能是由于用于觀察的光子擾動了電子,所以才導致這個結果。于是人們開始把用于觀察的光的頻率降到足夠低,這樣光的動量就會變得很?。▌恿縫=hν/c),那么碰到電子時就不會對電子造成大的干擾。

實驗結果:只要光的頻率足夠低,電子果然又開始出現干涉現象了,但由于光的頻率太低,我們觀察到電子的圖像就會變成一團模糊的閃光,也就是說我們還是看不見電子到底是怎么穿過兩條縫隙的。

這就像后來哥本哈根解釋的不確定原理:有一些成對的物理量(例如,坐標與相應動量分量、能量與時間等),要同時測定它們的任意精確值是不可能的,其中一個量被測得越精確,其共軛量就變得不確定。

另外,除了上述的同一方向的干涉實驗,1992年,新墨西哥大學物理學家們還設計了一個更詭異的實驗。

相反方向的單光子廣角干涉實驗



以上是單光子廣角干涉實驗的示意圖 。

在S處每次只釋放出一個光子,該光子有兩條可能達到接收器的路可以走,分別用紅色虛線和藍色點線來表示。

下面中間的分束器可以讓光一半透射,一半反射。也就是說每次單光子如果走紅色虛線路徑,有一半可以透射到接收器上,如果走藍色點線有一半可以反射到接收器上。但不管怎么樣,光子應該只能走其中一條路徑。

但實驗結果顯示,接收器上還是出現了明暗交替的干涉圖樣,也就是說單個光子同時“通過”了兩條路徑然后自行發(fā)生干涉。

這比雙縫干涉更詭異了,畢竟這兩條路徑幾乎是相反的方向了!一個光子能同時向左又向右的行動?

由此看來,光的波粒二象性遠沒我們想的那么簡單!

從某瞬間來看,光子是一個粒子,不會分成兩半,但結果顯示它又是像波一樣的概率分布,表現為波的性質。

結語:

就像提出光子論的愛因斯坦所說,光子到底是什么?他一直都沒想明白。

以光子為代表的量子們或許是我們這個世界上最神秘的東西了。至于從它們身上還會發(fā)現什么令人震驚的秘密,也就變得沒什么好奇怪的了。

至少我們現在已經明白,不確定才是這個世界的基石。

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