首先,雙縫干涉實驗不是在研制什么毀滅地球的武器,所以它沒什么好恐怖的,只是它違反了一些常人的直覺而已,所以用“反?!笨赡芨线m。
估計很多初中生和高中生都做過雙縫干涉實驗,就是在兩條平行的狹縫前面放一個光源,讓光源通過兩個狹縫,然后通過狹縫的光源會在兩條狹縫后面出現(xiàn)幾條明暗交替出現(xiàn)的亮光。
圖注:一束“光波”經(jīng)過雙縫后變成兩個波相互干涉
這個是經(jīng)典的楊氏干涉實驗,它最早是19世紀初英國物理學托馬斯楊設計制作的,目的是為了推翻超級學霸牛頓所統(tǒng)領的光的粒子說。
(題外話:牛頓所說的光粒子其實和現(xiàn)在說的粒子是不一樣的)
如果光是粒子,那么它通過兩條狹縫時只會出現(xiàn)與狹縫對應的兩條亮光條紋才是,而如果光是波的話就不一樣了,它通過兩條狹縫后會變成兩個波并互相干涉(就像湖面同時出現(xiàn)的兩個水波一樣),從而形成實驗結(jié)果展示的那樣,出現(xiàn)一系列明暗相間的亮光條紋。
圖注:托馬斯楊
經(jīng)典的楊氏干涉實驗讓光的“波動說”取得了階段性勝利,它很好理解,好像也沒啥反常和恐怖的。
但是這個實驗有一個“升級版本”,那就是量子力學中的單粒子雙縫干涉實驗,這個就很難理解,很反常了。
在單粒子雙縫干涉實驗中,物理學家讓電子挨個通過兩條平行的狹縫(和經(jīng)典的一樣),要知道電子可不是波,它確實是“成塊”存在的一個粒子。
這里神奇的地方就出現(xiàn)了。
每次只有一個電子打出去,那么這個電子不是從左邊的縫通過,就是從右邊的縫通過,如果是這樣的話結(jié)果是可預測的——電子會形成兩個平行條紋出現(xiàn)在投屏上,因為沒有另外一邊的粒子或波和它完成干涉。
但是,結(jié)果讓人大跌眼鏡,單個電子和光線一樣會在經(jīng)過雙縫后出現(xiàn)明暗交替出現(xiàn)的干涉條紋。
圖注:單電子雙縫實驗形成的條紋模擬
其實,這個實驗最早是在1909年,由英國物理學家杰弗里·泰勒設計并完成的,他讓光子挨個發(fā)射并通過雙縫,最終得到一張膠片,上面是明暗交替出現(xiàn)的干涉結(jié)果。
雖然是100多年前的實驗,但杰弗里·泰勒的實驗應該是很精致了,只是后面很多人做了電子的干涉實驗,讓結(jié)果更加“可視化”。
電子的干涉實驗,確實讓科學家們可以更容易觀測和改變實驗參數(shù)了,也正因為如此發(fā)現(xiàn)了更加“反?!钡氖?。
如果人們想知道電子是如何完成干涉的,那就得知道電子是如何通過狹縫的,于是他們在兩條縫的后面放個探測器,來檢測電子從哪條狹縫通過。
這個探測器可以告訴實驗者電子每次確實只會通過一個狹縫,常識已經(jīng)無法解釋它的干涉條紋是如何出現(xiàn)的了。
但是更奇怪的是,有了探測器之后,實驗結(jié)果和沒有探測器還不一樣,添加了探測器后干涉條紋就消失了,它變成了我們猜測的那樣——電子只會在狹縫后面形成條紋。
很神奇吧,這相當于,你不看它,它自己玩自己的時候是干涉條紋,你看它一眼,它好像能感覺到你在看它一樣展現(xiàn)了你想要看到的結(jié)果。
用一些研究人員的話來說,這樣的結(jié)果幾乎耗盡了所有邏輯的可能性!
電子不像水波,因為你可以觀察到它通過狹縫后只在一個位置撞擊屏幕,它也不像水滴,因為它們會自己干涉并產(chǎn)生一系列條紋圖案。
至于為什么電子會表現(xiàn)出這種現(xiàn)象,爭論至今還在繼續(xù),甚至很多人懷疑這樣的實驗本身就是假的,所以我們也就無法確定事實究竟是什么。
但可以確定的是,電子正在做一些我們以前從未想過的,甚至連語言都無法描述的事情。
圖注:第二排最右邊那位就是玻爾
不過以玻爾、波恩、海森堡為代表哥本哈根學派試圖解釋這種現(xiàn)象,并把這種新的存在形式起了個名字叫做“疊加態(tài)”。
哥本哈根學派認為,電子既可以是波,也可以是粒子,它取決于“測量”,你用粒子的方式去測量它就展示粒子的形式,比如實驗中你去觀察它;你用波的形式去測量,它就展示波的形式給你,就像實驗中出現(xiàn)干涉條紋一樣。
而且不僅是電子,宇宙中的所有物質(zhì)都是如此,從原子到大分子,再到實體物質(zhì)都是一樣的——既可以展示粒子的形式也可以展示波的形式,只是物體越大,就越難看到這些干涉條紋而已。
當然,這樣的解釋很多人不認可,典型代表就是愛因斯坦,他更相信物質(zhì)是客觀存在的,和你如何測量沒關系,所以他會說“上帝不會擲骰子”。
當然,我們無法理解電子的行為也很正常,因為我們的大腦是在宏觀世界中演化的,我們大腦很容易判斷扔石頭或者扔長矛等宏觀物件的運動規(guī)律,但是微觀世界超出了這個范疇。
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