不可言說還是妙不可言:“雙縫干涉”與“薛定諤的貓”

不可言說還是妙不可言:“雙縫干涉”與“薛定諤的貓”

(來源:263財富網)

請原諒小編這次,小小的標題黨了一把。其實,這個“不可言說”也許是說不清楚吧。寫到最後,小編愈發稀裡糊塗,有不準確的地方,希望大家多多批評指正。

不可言說還是妙不可言:“雙縫干涉”與“薛定諤的貓”

還是,那隻貓的故事

設想在一個封閉的匣子裡,有一隻活貓及一瓶毒藥。毒藥瓶上有一個錘子,錘子由一個電子開關控制,電子開關由放射性原子控制。衰變發生,藥瓶被打破,貓就會被毒死。

按照常識,貓可能死了也可能還活著,更確切的說,貓是處於一種或死或活兩種本徵態的疊加態。只不過毒藥衰變的機率是隨機的,科學家無法計算出它什麼時候衰變。

所以,只有打開匣子,我們才知道貓到底是死了還是活著。但是打開匣子觀測這個行為意味著實驗結果是:貓或死或活的疊加態坍縮,到了或者死、或者活的一方,也就是其中一種本徵態。

不可言說還是妙不可言:“雙縫干涉”與“薛定諤的貓”

(來源:羊城晚報)

上面內容介紹的是“薛定諤的貓”的內容。這個本來是奧地利物理學家薛定諤於1935年提出來嘲笑關於量子研究的思想實驗,卻陰差陽錯地把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界推演,巧妙地從宏觀尺度闡述微觀尺度的量子疊加原理的問題。

“薛定諤的貓”只存在於科學家的大腦之中,有沒有被實驗驗證了呢?

事實上,在1996年5月,美國科羅拉多州博爾德的國家標準與技術研究所(NIST)的Monroe等人用單個鈹離子做成了“薛定諤的貓”並拍下了快照,發現鈹離子在第一個空間位置上處於自旋向上的狀態,而同時又在第二個空間位置上處於自旋向下的狀態,而這兩個狀態相距80nm之遙!

80nm——這在原子尺度上是一個巨大的距離了。打個比方,在量子領域內,這個鈹離子就像一位通靈大師,他分身有術,能在巴黎埃爾菲鐵塔上看星星,同時在喜馬拉雅之巔感受風之凜冽;能在墨西哥餐廳吃牛排,同時在中國江南小鎮遊山玩水!

不可言說還是妙不可言:“雙縫干涉”與“薛定諤的貓”

(來源:圖蟲網)

除去“薛定諤的貓”,量子理論領域還有另外一個重要的實驗。並且和前者既有幾分相似,卻又有不少區別,這個實驗就是——雙縫干涉實驗。所以,這兩個實驗到底有什麼不同?又有什麼內在的關係呢

此刻,開始光的故事

在我們的高中課本上學到過,雙縫干涉實驗的大概現象是:一束光在通過間距很小的兩個縫隙時候,投射在平面,會因為光的波動性導致投射出來的影像成明暗交替狀。

不可言說還是妙不可言:“雙縫干涉”與“薛定諤的貓”

(來源:簡書)

雙縫干涉條紋產生的原因是:光的波動性。兩縫透出的光波相互干涉(波峰波谷相互重疊或消減),導致投射在平面的光斑出現干涉條紋。

不可言說還是妙不可言:“雙縫干涉”與“薛定諤的貓”

(來源:我為祖國獻石油的博客)

以上的傳統實驗,發射出的光束包含了大量光子。所以可以認為是不同的光子之間發生了干涉。但實驗人員對實驗條件做出了一個小小的改變:每次只發射出一個光子,光子每次只會從其中一個縫內通過。猜想一下:是否還會產生干涉條紋呢?

沒猜錯的話,你會覺得在投影面只會形成兩個均勻的光斑,而且因為每次只有一個光子通過,該光子無法與其他光子發生干涉,所以不可能會產生干涉條紋。

但是,實際的實驗結果十分出乎意料——投影板上依舊產生了干涉條紋!也就是說:每個光子似乎同時通過了兩個縫隙,自己與自己產生了干涉!

不可言說還是妙不可言:“雙縫干涉”與“薛定諤的貓”

(來源:簡書)

更為奇怪的事情在後面:如果用儀器測量光子到底通過了哪個狹縫,干涉條紋就會就會消失。引用一位網友的話說:此時,光子似乎能夠知道自己被測量,一旦被測量則它只會從一個縫中通過,沒有干涉發生,也就沒有了明暗交替的光斑。

剪不斷,理還亂

再回顧“薛定諤的貓”的實驗,對比可以看出:如果沒有打開盒子(沒有測量),則貓處於一種既死又活的疊加態(光子同時經過雙縫,與自身產生干涉)。一旦打開盒子進項觀察(進行測量),則貓既死又活的疊加態就會塌縮到要麼死、要麼活的本徵態(光子只會經過一個縫,干涉條紋消失)。

兩個實驗,一個存在於思想之中,一個是實際實踐所得,但是卻有著不可言說的關係。也許到目前為止,量子的世界仍舊神祕莫測,無論是哥本哈根解釋,還是平行世界理論,都沒有被完全證實。

在這裡,筆者相信:這份神祕,終將不會被永遠保持下去的。

不可言說還是妙不可言:“雙縫干涉”與“薛定諤的貓”

(來源:羅福林999的博客)

參考文獻:

[1]百度百科:薛定諤的貓[EB/OL].https://baike.baidu.com/item/薛定諤的貓/554903?fr=aladdin.

[2]13號大王. 楊氏雙縫干涉實驗與薛定諤的貓[EB/OL].https://www.zhihu.com/question/290859720/answer/472724572.2016-11-22.

[3]百度百科:雙縫實驗[EB/OL].https://baike.baidu.com/item/雙縫實驗/5648320?fr=aladdin.

[4]保護傘突然有一天.雙縫干涉實驗的量子世界,這個世界我們已經無法理解![EB/OL].https://baijiahao.baidu.com/s?id=162153625603877752-7&wfr=spider&for=pc.2019-01-02.

來源:中科院半導體所

編輯:Quanta Yuan

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