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令人困惑的“双缝干预实验”,到底是什么状况?

时间:2020-10-18 来源:趣谈科学 栏目:科技

很多人听过双缝干涉实验后会认为“玄之又玄”,于是有了“遇事不决量子力学”。实际上,量子力学是人类了解宇宙底层逻辑的敲门砖,而双缝干涉实验则是量子力学核心的显现,下面我聊聊双缝干涉实验的“诡异”。

薛定谔的猫、上帝掷骰子、平行宇宙哪来的?

由于量子太过抽象,因此我们把量子现象过渡薛定谔的猫,再回到双缝干涉实验就容易理解了。这是薛定谔给我们理解量子力学的好例子。

话说啊,有个封闭的盒子里面装一只猫,然后一个量子装置连着毒药瓶,猫的生死取决于量子性质,换句话说,猫的生死间接表现了量子的性质。实验的问题是猫最后是死的,还是活的?

各路大佬都说出了自己的看法,主流看法有三个:

哥本哈根学派,波尔:这是只

量子猫,它在盒子里的概率是100%的可能性是活的,同时100%可能性是死的,两种状态同时存在,叠加在一起,当你打开盒子一瞬间,猫的生死才会表现出来,生死的结果是随机的。

爱因斯坦、薛定谔:猫50%是死的,50%是活的,我们打开盒子之前它就已经死了,或者还活着,我们打开盒子看到的是结果,而不是诱发结果。

爱因斯坦:波尔,按你的意思是打开盒子时,上帝发现有人要来看结果了,赶紧摇号决定了猫的生死?

波尔:你别管上帝能干什么!

休·埃弗雷特:安静安静,我还没说呢!首先波尔的叠加态我是认同的,但是100%+100%=200%,打开盒子前与打开盒子后应该守恒才对,因此我认为如果打开盒子时猫死了,那么活着的猫应该存在于另外一个世界中——平行宇宙。

爱因斯坦、薛定谔、波尔:你厉害, 我们竟然不知道如何证明你说的是错的!

故事先到这里,看得懂看不懂没关系,先说结果:波尔是对的!而平行宇宙证明不了,最多算假说。在这个故事中有几点很重要:

1.

猫即死又活的状态——叠加态

2.打开盒子意味着观测,

观测会让叠加态随机坍缩为单一状态

。(上帝摇号!)

3.前两点,

打开前与打开后,还隐含了波粒二象性。

(下面再说)

光到底是什么?——双缝干涉的“诡异”

接下来我们看双缝干涉,这事要先从牛顿说起,源于一个看似简单,然而谁都答不上来的问题——光是什么东西?

图:牛顿三棱镜实验

牛顿作为当代学霸,为光学做出了不少贡献,比如阳光是由多种光混合而成的三棱镜实验就是他搞出来的。他认为光又能反射,还折射,运动轨迹会改变,就像乒乓球扔墙上会反弹回来,因此它最小的单位应该是粒子。

十九世纪,托马斯·杨反击牛顿,他只干了一件事,让一束光通过了两条小缝,后面有块感应屏。“按照牛顿的说法”这个实验的结果应该是两条条纹,如下面:

实际上却出现了下面的结果:

于是老杨说光就像下面的水波一样,其实波:

通过缝隙的光波变成了两个波,两个波接触干涉,出现和水一样的现象,于是在屏幕上显示出干涉条纹。

这就是双缝干涉实验,但是诡异的事情是量子力学的双缝干涉实验。

好景不长,随着黑体辐射实验,普朗克发现光能量是一份一份不连续的,爱因斯坦发现光电效应,即光与原子作用时是以粒子的形式交换能量的。于是大家重新审视双缝实验,对它进行升级。

既然光是一粒一粒的,那么我们把光子一粒粒通过双缝会发生什么?(实际实验用的是电子,道理是一样的)

大佬们很快地照着两条缝像机关枪一样发射一梭子电子,显示屏上随机出现大量的粒子,但站远点看这些粒子同样组成了干涉条纹。既然是粒子,为何会发生干涉?

于是有人认为一大堆电子在一起挤来挤去的所以发生了干涉,有点像儿童乐园里的海洋球,当你跳进去,海洋球虽然是一粒一粒的,但是会像波一样往向外扩散,于是就有了虽然是粒子但同样会发生干涉。但真的只是这样吗?

图:实验结果

科学家再次做了实验,改成了“手枪式”发射,“啪”打一发电子,电子到达了感应屏,再打下一发,杜绝了两个电子在运动时发生干涉。然而科学家懵了,快点打和慢点打,结果是一样的,屏幕还是出现了波动性,才会出现的干涉条纹,而不是两条条纹!也就是说单个电子发生了干涉,那么它和谁干涉呢?就两个缝,它只能选一个穿过,另一个缝没有电子出来,上哪干涉去?

为了解决了问题,大佬们就在实验中安上了光电探测器“去看它”,看看电子是如何完成干涉的!结果发现电子老老实实的在感应屏上形成了两条条纹。大家:上帝,告诉我发生了什么!

上面的故事已经给了答案:波粒二象性

先按不靠谱的平行宇宙理论来解释:你不看时,电子即从A缝过去,又从B缝过去,然后发生了干涉,你可以理解为量子出现了一个分身。如果你去看它,宇宙就分裂了,如果电子从A缝进入,那么平行宇宙中的电子就从B进入,是我们去探测引起了宇宙的分裂,导致处于两个宇宙中的电子(分身)无法形成干涉。

波尔的解释:前半段和平行宇宙一样,电子处于叠加态,这是一个波的状态,但当你去看它,就随机坍缩成了粒子态。

爱因斯坦:无法解释!肯定有什么我们还没弄清楚的,反正上帝是不会摇号的。

图:我们印象中电子在原子中是这样的

图:实际上它是这样的,因此也叫电子云,具有概率性、波动性。

到目前的科学研究成果来看,波尔是对的。量子具有波粒二象性,这是量子力学的核心。一个电子同时具有波与粒子的性质。

当它没有坍缩成粒子时,虽然也是以单个粒子发射,但波的性质也在发挥着作用,当你发单个电子就类似于发射出水波,你发射了一堆电子,其实就是在发射一堆波,这些波都会按着干涉后的结果显示在感应屏上。当你探测电子,它坍缩成单独的粒子性质,所以一堆电子打出去,没有发生干涉,只出现两条条纹。

如果不理解量子的性质就会觉得,我不看出现干涉条纹,我看了却不干涉了,似乎有点“恐怖”,理解了就理所当然了,量子力学是目前人类发现的宇宙最底层的逻辑,它可以解释宇宙起源,大到宇宙的构成,小到组成宇宙最小结构的粒子的形成。

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