如果您对量子力学了解不多,希望这篇文章能将你带上台阶,作者尽可能用简短的语言描述量子力学的相关内容。但是水平有限,不妥之处还请各位指教。
光的双缝干涉实验,很多人在初中时候就接触了,一束光经过两个狭长细小的缝孔时候,不是产生两条光斑,而是产生多条明暗相间的干涉条纹!由于这个著名的实验得出的结果与经典粒子理论结果不同,光的特性也就从粒子性就变成了具有波粒二重性。
双缝产生干涉条纹
光的双缝实验是这样,有没有人想过用电子进行双缝干涉实验呢?答案是有的,蒂宾根大学的克劳斯·约恩松就突发奇想,用电子进行了双缝干涉实验,并且得到了与杨氏双缝光干涉结果类似的明暗条纹。这下捅了马蜂窝一样,开启了人类对粒子的全新认知的大门,后来被评为历史上最美的物理实验!
电子也会产生干涉,那么一个个电子通过双缝会产生干涉吗?好奇总会让人类走向一个个未知。米兰大学的梅里教授就是这么一个好奇的人,他成功地将电子一个个发射出来,在显示屏上竟也显示出了明暗交替的条纹!太诡异了,电子同时通过两个孔缝,自己干涉自己的?
双棱镜干涉示意图
好奇害死猫,确实是至理名言。电子是从哪个缝通过的,装个监视器不就可以了吗?说干就干,他在双缝干涉实验中双缝板的附近安装了高精度的监视器,这样可以观测电子进入双缝的情形。看起来一切都是那么符合逻辑,没有什么问题,但是这一下可不得了,物理实验史上最“恐怖”现象产生了,量子力学的潘多拉盒子彻底被打开。
双缝实验加载观测器
梅里教授做好一切后,开始发射电子,然后观察电子进入双缝的情形(要说明一下的,其实梅里教授使用的并不是真正的双缝,而是电子双棱镜,真正使用电子双缝的是2012年美国内布拉斯加大学林肯分校物理实验团队做的,条件要求实在太难了)。这时候神奇的事情发生了,双缝后面的投屏上一条条明暗相间的干涉条纹竟然消失了,只剩下两条亮纹!电子罢工不干涉了?梅里教授百思不得其解,还以为实验哪里出现了问题,查找了半天都没找到原因(这里是瞎编的~~~)。最后,他关掉双缝入口的监视器,这时候神奇的事情又发生了,双缝孔后面的投屏一条条明暗相间的干涉条纹又出现了。再打开监视器,干涉条纹又变成了两条亮斑,再关掉监视屏,干涉条纹又出现,反复几次都如此。
电子双缝实验原理图
是不是很诡异,好像这些电子具有灵性一般,你观测它的时候它就不发生变化,而你不观察它的时候,它就悄然出现。这个物理实验被称为历史上十大物理实验之首,不少网友却使用“毛骨悚然”来形容,颠覆了人们几千年来的认知。人们为此议论纷纷,很多人认为这是因为人的意识影响了物质的变化,意识可以决定物质!
薛定谔公式
难道真的是意识可以主导物质?科学的世界当然不相信各种神灵鬼说,而是努力找到诡异事件背后的运行的规律。冷静下来思考,对于这个实验来说,我们多了一个观测仪器,会不会是这个仪器对实验产生了干扰?
很多人以为是在双缝板前面加的是摄像机,其实这个已经有人澄清过,目前并没有一个摄像机可以拍摄到电子这种微观粒子,还展示给人肉眼看的。所以增加这个观察电子进入双缝的仪器,并不是摄像机,而是一种电子探测设备。所以这就有问题了,如果我们要增加任何一种电子探测设备,这种设备从原理上来说都会发出光或者电子等东西,这些东西是否会影响电子的运动特性?
薛定谔的猫:用于证明量子力学的方谬
这个思路是正常的,如果粒子的抗干扰能力极弱,那么我们使用任何一种设备观察粒子的时候,目前这些探测行为都会对电子产生干扰。这些干扰可能会影响到粒子的圆周运动及自转,可能会影响到粒子的能量,从而改变粒子的表现性质。也就是说,电子是具有波动和粒子性的,但探测设备干扰了电子,那么电子或许就只能表现出粒子性。换句话说,粒子在被观测前和后的状态不是一样的,也就是目前热门的量子通信加密的原理。
波的干涉
所谓意识影响物质纯粹是无知和网络谣言,为了蹭流量的。这么说吧,如果我们在双缝前面看个观察孔,肉眼来看粒子,粒子是否还会产生干扰?虽然说我们肉眼无法看到粒子存在,但是确实是存在着观测行为,这种情况下应该是不会干扰粒子的运行,毕竟我们眼睛可不会放电也不会发光。但是如果真的是电子有意识存在的话,这种肉眼观察也会被电子感觉到吧?
不过意识说不定也会发出一种波或者粒子,可以穿透某些防护进入干扰电子。谁在做双缝干涉实验的时候,在旁边站几个人,脑海里面浮现:我在看着你,我要你不能干涉!不知道结果是否会改变?
意念控制
当然,上面是瞎扯,不过确实有一个很重大的问题在这里。一个粒子在不观测它之前,它的状态是确定还是不确定的?爱因斯坦认为是确定的,只是我们无法探测。而波尔认为是不确定的,或者是一种叠加态(两种相反的状态同时存在,如一个粒子在左转,又同时在右转,很难理解吧,宏观上不存在),只有观测它,导致波函数坍缩,才能确定它的状态。波尔和爱因斯坦还为整个问题争吵了一辈子,谁也没说服谁。后来爱因斯坦退了一步,认为处于纠缠状态的两颗粒子即使处于不确定状态,但是其中一个被确定了,它肯定是存在某种通信机制让另一个粒子知道的,但是波尔就是认为没有任何机制,就是自发的知道。
波尔与爱因斯坦之争
如果两颗粒子存在某种通信机制,那么速度就不能超过光速了,所以通过距离和时间测定是个好办法。现在的量子纠缠实验,要声明多远多远的实现的,其中一个原因就是如此。目前我国实现了1000多公里的量子纠缠传输,可惜目前还是未能发现两颗粒子存在通信,倒证明了非定域性。
回到上面电子状态的问题,虽然目前目很多实验都证明粒子在不被观测前就是叠加态的,但是遗憾的是所有的实验或多或少都存在一些漏洞,所以这个争吵一种持续到现在也没有解决。即使是双缝延迟选择实验,还是无法证明粒子到底从选择哪条路线走,归根到底在于,目前没有一种探测设备可以在不影响电子(粒子)的情况下探测到电子(粒子)的行为状态。或许是实验还存在认知以外的因素,也或者粒子就是具有不确定性的。
双缝干涉延迟选择实验
目前量子力学的神奇及争议,预示着还有很多未知的东西超出我们的认识。世界这么大,这么神奇,值得我们每个人去看看,去了解!
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