或许 “恐怖” 一词略显夸张配多多,但量子力学所展现的世界,绝对能让人们感受到前所未有的震撼,它如同一场思维风暴,彻底颠覆了人类几千年来基于宏观世界形成的传统认知。
也正因如此,在面对难以解释的现象时,人们常调侃道 “遇事不决量子力学”,以此来形容量子力学的诡异性。
而在众多令人费解的量子现象中,电子双缝干涉实验的过程和结果,甚至让见多识广的科学家们都感到脊背发凉,时至今日,仍然没有一个理论能够完全令人信服地诠释这个诡异的实验。
故事的开端,我们要从对光的探索说起。在物理学的浩瀚星空中,牛顿无疑是最为耀眼的星辰之一。这位伟大的物理学家对光的诸多现象痴迷不已。他通过著名的三棱镜实验,将一束看似单一的白光分解成了色彩斑斓的多种颜色,就像一道微型彩虹。
同时,鉴于光既能折射又能反射的特性,牛顿大胆推测,光应该是由最小的粒子组成,就像一个个微小的玻璃球,这便是牛顿关于光的 “粒子说”。在当时,牛顿的权威使得 “粒子说” 在很长一段时间内占据主导地位,人们仿佛找到了光的终极奥秘。
然而,科学的发展总是充满了戏剧性的转折。
到了 19 世纪,一位名叫托马斯・杨的科学家,用一个简单却意义深远的实验,打破了 “粒子说” 的统治。这个实验就是托马斯・杨干涉实验。实验装置并不复杂,一束光被引导着穿过两条狭缝,随后投射到狭缝后面的屏幕上。
按照牛顿 “粒子说” 的理论,如果光真的是由一个个粒子组成,那么这些粒子穿过狭缝后,在屏幕上应该会呈现出两条清晰的条纹,就像两列细小的粒子流分别撞击屏幕留下的痕迹。
但实验结果却出人意料配多多,屏幕上显示出的并不是两条条纹,而是许多条明暗相间的条纹。
这一现象表明,光在通过狭缝后发生了干涉,就如同平静水面上的两圈水波相遇时,会相互叠加,形成波峰更高、波谷更低的复杂图案。
托马斯・杨的实验有力地证明了,光具有波动性,它更像是一种在空间中传播的波动,而非牛顿所认为的粒子。这一发现,在当时的物理学界引发了强烈的震动,也为光的本质研究开辟了新的方向。
然而,科学的探索之路从来都不是一帆风顺的。
随着现代物理学的不断发展,科学家们又有了新的发现。他们注意到,光子在传播过程中并不是连续不断的,而是以一份一份的形式出现,这就是普朗克发现的 “光量子”。这一发现仿佛又将光的 “粒子说” 从沉睡中唤醒,科学家们开始重新审视光的本质,关于 “光到底是粒子还是波” 的争议再次甚嚣尘上。
毕竟,按照常理,如果光是粒子,那么它在通过狭缝时,应该不会像波那样发生干涉行为,就如同我们向狭缝投掷玻璃球,玻璃球只会各自穿过狭缝,而不会相互干涉、叠加。
为了彻底解决这个争议,科学家们决定换个思路,既然对光的实验难以得出定论,那就用电子来做实验。在当时,科学家们普遍认为,电子是实实在在的实体粒子,它不可能是波,通过电子实验或许能揭开微观世界的真相。
于是,备受瞩目的电子双缝干涉实验正式登场。
当科学家们朝着双缝不断发射电子时,实验初期配多多,屏幕上呈现出的是杂乱无章的亮点,这些亮点仿佛是电子随机撞击屏幕留下的痕迹,一切看起来都很正常。然而,随着发射电子数量的不断增加,一个令人震惊的现象出现了:屏幕上竟然逐渐呈现出了干涉条纹!这一结果意味着,电子在通过狭缝后,也发生了干涉行为。
但电子明明是粒子,按照传统认知,粒子是不可能发生干涉的,这一现象瞬间让科学家们陷入了困惑之中,仿佛在微观世界面前,所有的常识都失去了作用。
科学家们不甘心就此罢手,他们决定对实验进行升级。既然大量电子同时发射可能会产生复杂的相互作用,导致干涉现象,那么一个一个发射电子,这样电子之间就不会发生干涉了吧?
带着这样的想法,科学家们小心翼翼地控制着电子发射装置,让电子一个接一个地飞向双缝。但实验结果再次让他们目瞪口呆:屏幕上仍然呈现出了干涉条纹!
这一结果表明,单个电子竟然能够同时穿过两条狭缝,然后自己和自己发生干涉。这一现象彻底颠覆了人们对物质和空间的传统认知,在宏观世界中,我们无法想象任何一个实体物体能够同时出现在两个地方,然后与自己相互作用。
科学家们被这个结果彻底激怒了,他们迫切地想要知道单个电子是如何同时通过两条狭缝的。于是,他们在狭缝旁边安装了探测器,试图通过观测来揭开这个谜团。
然而,更加奇怪的事情发生了:当探测器开始工作,对电子进行观测时,电子就好像拥有了意识,能够提前感知到科学家的观测意图,“乖乖地” 一个一个通过狭缝,没有发生任何干涉行为,屏幕上只呈现出两条条纹,就如同牛顿 “粒子说” 所预测的那样。
这个结果让科学家们彻底陷入了疯狂,他们无法理解,为什么观测行为会对实验结果产生如此巨大的影响。在宏观世界中,我们的观测并不会改变物体的行为和状态,而在微观的量子世界里,观测却仿佛拥有了神奇的魔力,能够改变一切。
面对这个诡异的现象,“哥本哈根学派” 的领军人物波尔提出了一种解释。他认为,微观粒子的状态是不确定的,它们处于一种叠加态,也就是说,在被观测之前,微观粒子可能同时存在于多个位置、具有多种状态,它们的状态只能用 “波函数” 来描述。
而当我们对微观粒子进行观测的时候,波函数就会坍缩,微观粒子会从不确定的叠加态转变为确定的状态,也就是粒子状态。
用电子双缝干涉实验来解释,电子其实也是一种波,具有波的特性,所以在未被观测时,它的状态是不确定的,能够同时穿过两条狭缝,自己与自己发生干涉,从而产生干涉条纹。而当我们使用探测器进行观测时,观测行为导致电子的波函数坍缩,电子就会以确定的粒子状态,一个一个地通过狭缝。
爱因斯坦、薛定谔等一众科学家坚决反对波尔的观点。他们坚信,诡异的量子力学背后肯定存在某种未被发现的 “隐变量”,世界从本质上来说是可描述的、确定的,也是可预测的,不可能存在这种毫无缘由的不确定性。爱因斯坦甚至说出了那句著名的 “上帝不掷骰子”,表达了他对量子力学不确定性的不满。
在之后的几十年里,量子力学不断发展,波尔提出的 “不确定性” 逐渐成为了物理学界的主流理论。
这意味着,量子世界真的是一个充满不确定性的世界,微观粒子时刻处于叠加状态,而我们的观测行为会让这种叠加态坍缩为本征态,也就是确定状态。波尔认为,量子世界的不确定性是大自然的一种固有属性,而观测行为则像是一把钥匙,能够打开从不确定到确定的大门。
这一理论的影响是极其深远的,它甚至引发了人们对世界本质的思考。
按照这种理论,我们的世界是否是真实的,竟然完全取决于我们是否在观察!当我们不观察时,世界中的微观粒子处于不确定的叠加态,整个世界仿佛处于一种模糊、虚幻的状态;而当我们进行观察时,微观粒子的状态坍缩,世界才变得真实、确定。
这不禁让人感到脊背发凉,难道我们生活在一个由观测创造的不真实的世界中?量子力学所揭示的这个微观世界,远比我们想象的更加神秘和诡异,它不断挑战着我们的认知极限,也激励着无数科学家继续探索宇宙的终极奥秘。
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