雙縫干涉實驗,揭示了一個無法解釋的詭異現象

宇宙 維爾納·海森堡 科學薛定諤的貓 2019-04-06

牛頓的經典力學曾被認為適用於宇宙中所有物體,但後來人們發現微觀世界需要用量子力學去解釋,牛頓的經典力學在這裡會失效,因為微觀世界的運行法則和宏觀世界不同,人們無法理解才覺得一些現象詭異恐怖。

高中物理中的雙縫干涉實驗是非常基礎性的試驗,但它背後存在著一個匪夷所思的現象。

雙縫干涉實驗,揭示了一個無法解釋的詭異現象

如上圖,讓光源的光線先通過第一個圓孔,這樣產生的光源會變成相干光源(頻率相同,振動方向相同),再讓相干光通過兩條細縫的紙板,最後用一塊屏幕承接光源,我們會發現屏幕上出現了明暗相間的條紋。黃色的是亮條紋,光線疊加效果增強,黑色的是暗條紋,光線相位相反效果抵消。

實驗證明了光不僅是一種粒子,還具有波的特性。

雙縫干涉實驗,揭示了一個無法解釋的詭異現象

當科學家用電子槍做電子的雙縫干涉實驗時,竟出現了意想不到的狀況。

當時大家都認為電子就是原子核外的電子,它是一粒一粒的,具有確定形態的微小粒子,但科學家用電子槍連續向雙縫的其中一條縫發射電子時,後面的屏幕上也出現了明暗相間的條紋,這個實驗證明了電子和光子一樣,具有波粒二象性,後來科學家用其它微粒做了相同的實驗,證明了質子,中子等都具有波粒二象性。

為了弄清電子穿過雙縫時到底是粒子還是波的形態,科學家就在雙縫後襬放了一臺量子觀察儀,當電子通過左縫時,儀器顯示1,;當電子通過右縫時,儀器顯示2;除此以外的狀態,儀器全部都顯示為0,實驗結果出乎意料。

當打開量子觀察儀,對電子進行觀察時,後面屏幕上的干涉條紋消失了,屏幕上只出現了一個明亮的電子亮斑,儀器顯示此時電子只經過了其中的一條縫隙;而當關閉觀察儀時,干涉條紋又出現了。

雙縫干涉實驗,揭示了一個無法解釋的詭異現象

實驗說明了“觀察”這個動作能對粒子的形態產生影響,不觀察電子它就是波,觀察電子它就是粒子,就像能夠感知這個世界一樣,所以才有人覺得恐怖。但有物理學家認為是觀察儀器發出的光子影響了電子運行中的狀態,使電子吸收了光的能量從而產生變化。

這種現象類似於海森堡不確定性原理,微觀世界中你無法同時知道粒子的動量和位置,動量越精確,位置就越不準;位置越準確,動量誤差就越大。電子的狀態會受到外界因素的干擾而改變,這就是微觀世界和宏觀世界的區別,從傳統觀念來看,也確實令人費解。

雙縫干涉實驗,揭示了一個無法解釋的詭異現象

此外,雙縫干涉實驗還有一個更高級的版本,量子延遲選擇實驗,這個實驗結果更詭異。原實驗比較複雜,這裡用一個相對簡單的模型來描述,就是把觀察儀放置於雙縫和屏幕之間,等電子通過雙縫後再開啟觀察儀,觀察此時電子的狀態。

當電子槍向雙縫發射電子時,這時觀察儀並沒有開啟,電子以波的形態同時通過兩條縫隙,這是已經成為事實的事情,但當電子通過雙縫後立刻開啟觀察儀,記錄電子的運行軌跡時,發現電子竟然是從其中一條縫隙通過了雙縫,也就是說觀察這個動作,竟然可以對已經成為事實的事情進行改變,在宏觀世界中就相當於:將來發生的事情改變了過去發生的事情,顛倒因果,所以很多人才覺得匪夷所思。

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