双缝实验说明什么问题 为什么说双缝实验恐怖
如果光是粒子,当它穿过两个狭缝时,只会出现两个与狭缝相对应的亮条纹,但如果光是波就不一样了 。它通过两个狭缝后,会变成两个波并相互干涉(就像两个水波同时出现在一个湖面上一样),从而形成一系列明亮的条纹,颜色有明有暗,如实验结果所示 。
描述:托马斯·杨
经典的杨氏干涉实验,让光的“波动说”取得了阶段性胜利 。很好理解,似乎也没什么不正常的,吓人的 。
但是这个实验有一个“升级版”,就是量子力学中的单粒子双缝干涉实验,很难理解,很变态 。
在单粒子双缝干涉实验中,物理学家让电子一个接一个地穿过两条平行的狭缝(和经典的一样) 。要知道,电子不是波,它确实是以块状存在的粒子 。
这里神奇的地方出现了 。
每次只有一个电子击中,那么这个电子要么通过左边的狭缝,要么通过右边的狭缝 。如果是这样的话,结果是可以预见的——电子会形成两条平行的条纹,出现在投影屏幕上,因为另一边没有粒子或波干扰它 。
然而,结果却令人惊讶 。单个电子和光一样,通过双缝后会出现明暗交替的干涉条纹 。
注:单电子双缝实验的条纹模拟
事实上,这个实验是由英国物理学家杰弗里·泰勒在1909年首先设计并完成的 。他让光子一个接一个地发射出来,通过一个双缝,最后得到一个薄膜,上面有明暗交替的干涉结果 。
虽然是100多年前的实验,杰弗里·泰勒的实验应该是精致的,但背后很多人做电子干扰实验,让结果更“直观” 。
电子干涉实验确实让科学家更容易观察和改变实验参数,也正因为如此,才发现了更多“反常”的东西 。
如果人们想知道电子是如何干涉的,就必须知道电子是如何通过狭缝的,所以他们在两个狭缝后面放了一个探测器,来探测电子通过哪个狭缝 。
这个探测器可以告诉实验者,电子真的一次只通过一个狭缝,常识已经无法解释它的干涉条纹是如何出现的 。
但更奇怪的是,有了探测器,实验结果和没有探测器的结果是不一样的 。加了探测器后,干涉条纹消失了,变成了我们猜测的那样——电子只会在狭缝后面形成条纹 。
很神奇,不是吗?这就相当于,你不看,自己玩的时候就是干涉条纹了 。当你看的时候,似乎能感觉到你在看,并展示出你想看到的结果 。
用某些研究者的话来说,这样的结果几乎穷尽了所有的逻辑可能性!
电子不像水波,因为你可以观察到,它们穿过狭缝后只在一个位置打在屏幕上,也不像水滴,因为它们自己干涉,产生一系列条纹图案 。
至于电子为什么会出现这种现象,争论一直持续到现在,甚至很多人怀疑实验本身是假的,所以我们无法确定真相是什么 。
但可以肯定的是,电子正在做一件我们以前从未想过,甚至文字无法描述的事情 。
图说:第二排最右边的是玻尔 。
然而,以玻尔、波恩和海森堡为代表哥本哈根学派试图解释这一现象,并将这种新的存在形式称为“叠加态” 。
哥本哈根学派认为,一个电子既可以是波,也可以是粒子,这取决于“测量” 。如果你用一个质点来测量,你会显示出质点的形态 。比如,你在一个实验中观察它;如果你以波的形式测量它,它会向你展示波的形式,就像实验中出现干涉条纹一样 。
而且不仅仅是电子,宇宙中所有的物质都是一样的,从原子到大分子,再到物理物质——粒子和波都可以显示,但是物体越大,越难看到这些干涉条纹 。
当然,很多人不赞成这种解释 。典型代表是爱因斯坦,他认为物质是客观存在的,与你如何测量无关,所以才会说“上帝不会掷骰子” 。
【双缝实验说明什么问题 为什么说双缝实验恐怖】当然,我们无法理解电子的行为也很正常,因为我们的大脑是在宏观世界中进化的 。我们的大脑很容易判断投掷石块或长矛等宏观物体的运动规律,但微观世界却超出了这一范畴 。
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