双缝实验自己能做吗?一个既简单又复杂、既著名又基本的实验

在量子力学里,双缝实验是一个极为基本而又相当著名的实验,一个看起来既相当简单然而又极为奥秘的实验。

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双缝实验相当简单,是指它的基本仪器设置和实验结果很简单,将光束照射于一块刻有两条狭缝的不透明板,通过狭缝的光束,会抵达照相胶片或某种探测屏,从记录于照相胶片或某种探测屏的辐照度数据,以分析光的物理性质。实验结果表明,光可以显示出波动性,也可以显示出粒子性,这称为“波粒二象性”。

一个既简单又复杂、既著名又基本的实验

所谓量子的“波粒二象性”,不是代表量子的波粒二属性。“波”和“粒”的概念,来源于我们宏观世界所观察到的“波”和“粒”的经典概念。要明白这个“波粒二象性”,首先需要明白的是宏观“波”和“粒”的基本概念。下面,我们用宏观的子弹作为“粒子”,以水波的“波动”为例,简单解释“波”和“粒”的基本概念。

首先讨论“粒子”,比如将机枪的子弹作为“粒子”。在机枪前方装一块装甲板,其中有两道小裂缝:狭缝“1”和狭缝“2”,有探测器装在这两道缝后方的枪靶上。

现在我们用这种装置来进行三种不同的“实验”。首先,关闭下部狭缝2,并测量从上部狭缝1到达枪靶的子弹分布。有许多子弹会直接穿过狭缝1,有部分会从装甲板上弹出,子弹的分布结果有如下边的红色曲线所示。

然后,关闭上部狭缝1,并测量从下部狭缝2到达枪靶的子弹分布。形状如下图绿色曲线所示,曲线形状与上一个红色曲线相同,但向下方移动。

最后,我们将两道缝都打开,并测量从两道缝到达枪靶的子弹分布。结果是下侧显示的实线曲线,同时以虚线显示的我们刚上部狭缝得到的和从下部狭缝得到的子弹分布结果。

结果你自然会推测得到:从两个狭缝到达的子弹数量是上部狭缝和下部狭缝的子弹的总和。如果你学过概率,由于单个子弹的路径是随机的,所以上面所测量的分布基本上是给定子弹到达枪靶特定位置的概率。

现在我们讨论“波”。有一个制波器装在一个装满水的水箱里。产生的波四处散开,如图中的同心圆圈。在波浪的路径中插入两个平行板:一个带有狭缝的板,一个是带有探测器的网板,如下图所示。比如,这个探测器可以是一个漂浮在水面上的软木塞,软木塞的上下移动体现波的能量大小。网板的目的是便于测量同时不让波浪返回。

现在关闭下部狭缝2,测量从上部狭缝到达网板的波浪能量的分布。对于狭缝宽度和波长的某些组合,波在通过狭缝后将会有明显的扩散。分布如下图右侧的红色曲线所示。可以看出,它与单个狭缝的子弹分布非常相似。

然后,关闭上部狭缝1,并测量从下部狭缝2到达的波浪能量的分布。形状如下图绿色曲线所示,曲线形状与上一个红色曲线相同,但向下方移动。

最后,我们将两个狭缝都打开并测量分布,结果显示如下图所示。如子弹实验一样,虚线表示上下狭缝分别得到的结果,实线是两个狭缝打开的结果。然而,实验结果与子弹的实验结果不同。有些地方的总波浪能量远远大于两个狭缝分别得到的总和,在有些地方能量几乎为零,这种分布称为干涉图案。

在上面的宏观双缝实验中可以看出,子弹“粒”子没有干涉现象,水“波”有干涉现象。在宏观双缝实验中,对于子弹“粒”子的轨迹,水“波”的干涉现象,其实验物理涵义不难理解,我们也可以依据经典力学计算得出。

根据光的、电子的等量子双缝实验的结果,量子在狭缝处做了什么及其间路径具体如何,人们不得而知。正如海森堡所说,“电子的路径只有在我们观察它时才会存在。”量子双缝实验的基本仪器设置和实验结果很简单,可是它的物理涵义至今无人能懂,没有人能说清楚。

从古希腊开始,人们对光的本质就存有争议。欧几里德、托勒密等认为“光”是某种从眼睛到被观察物体的光线,亚里士多德假设相反。1672年,另一场关于光的本质的论战爆发了:牛顿认为光是某种粒子,胡克和惠更斯认为光是某种波。1801年,托马斯·杨通过对光进行双缝实验,结果是干涉模式。因此,牛顿错了:光是一种波。

爱因斯坦特别花了很多时间来设计这样一个更好的测量

以后又有了电子的双缝实验,我们在屏幕上看到的看起来与我们之前看到的光的双缝干涉图案相同。还有许多双缝实验的变种,所测试的实验结果依然一样。有人可能会说我们应该做“更好”的实验。海森堡不确定性原则说,不存在这样一个更好的实验。爱因斯坦特别花了很多时间来设计这样一个更好的测量,其所有的尝试都失败了。

量子力学的历史,可以说就是一部探索双缝实验的奥秘的历史。费曼认为,理解双缝实验中所发生的在某种意义上等同于理解量子力学。

量子力学通过100多年来的全面、严谨的实验验证与实际应用,至今未发现一个预测与量子力学的实验结果相矛盾。可是,在这个看起来既简单又基本的双缝实验面前,量子力学可惜还稍逊风骚。如果从1801年的杨氏双缝实验算起,200多年来物理学家们一直在探索这一基本实验的奥妙,“引无数英雄竞折腰”。

双缝实验给予我们的基本启示是:你所看到的世界只是一部分,我们不可能同时看到事物的方方面面,事物不是完全我们所能想象得到的,什么是真实地真正存在的“真实”?有的“真实”,实际上是我们的五官的错觉或完全不可能直接观察、不可能直接感觉得到的,甚至是我们的大脑思维难于想象的。

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