量子力学|令人困惑的“双缝干涉实验”,到底发现了什么?( 二 )
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 。
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