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电子双缝干涉实验结果令人“毛骨悚然” 为什么如此恐怖

2024-03-12 科学探索 电子双缝干涉实验结果令人“毛骨悚然” 为什么如此恐怖

在物理学上曾发生一次令人惊讶的“灵异事件”——“电子双缝干涉实验”。这个实验彻底展示了量子世界和量子力学的神奇之处,颠覆了们的认知。在现实世界中,一切都是确定、可描述和可预测的,这是爱因斯坦的“决定论”。这一观念被那个实验颠覆。将介绍恐怖的电子双缝干涉实验,该实验做过不止一次,内容会稍有不同,各种升级版不断涌现。

最常见的双缝实验使用光而不是电子。实验很简单,一个挡板上有两条狭缝,后面是屏幕。向挡板发射光,大部分光被挡住,只有少量通过两条狭缝。如果光是粒子,屏幕上会出现两道条纹。如果光是波,会出现多道条纹,即干涉条纹。这实验证明了“光究竟是粒子还是波”的疑问,结果显示出干涉条纹,证明光是波。随后进行了升级实验,重复之前的步骤,但每次只发射一个光子。一开始,屏幕上出现了零星的亮点,但随着光子数量的增加,出现了神奇的画面,屏幕上仍然呈现出干涉条纹。

这里出现了一个问题:要产生干涉条纹,需要波进行干涉。但科学家逐个发射光子,单个光子只能通过其中一条狭缝。单个光子如何产生干涉?与谁产生干涉?是单个光子同时穿过两条狭缝,与自身产生干涉吗?实验结果显示,单个光子必须同时通过两条狭缝,才能与自身产生干涉!这如何可能?为了解释这个问题,实验再次升级?科学家在狭缝的旁边安装了摄像头(探测器),想看看单个光子到底是如何通过狭缝的。这次用的不再是光子,而是电子,因为科学家很难直接观测到光子。实验结果出乎意料:电子并非同时穿过两条狭缝,而只从其中一条穿过。科学家如释重负:好在电子没有同时穿过两条狭缝!而事情并未就此结束,更令人不安的是在实验时,屏幕上的干涉条纹消失了,变成了两条杠。

而当科学家停止观测时,干涉条纹又重新出现!这表明,人类的观测行为改变了电子的状态,影响了实验结果。电子似乎能感知科学家何时进行观测,一旦观测,干涉条纹即消失;不观测,则重新出现。哥本哈根学派,尤其是波尔,提供了解释,即哥本哈根诠释。据此,电子双缝干涉实验涵盖了量子力学三大规律:不确定性、叠加态和观测行为。叠加态是微观粒子的固有属性,使其处于混沌的叠加状态,如同光子既是波又是粒子。电子同样具备这种波粒二象性。

叠加态意味着电子可同时穿过两狭缝(处于叠加态),自我干涉。不确定性指发射电子时无法确定其到达屏幕位置,只能用概率描述其可能位置。

另外有一点就是观测行为,任何观测行为都会让微观粒子的叠加态和不确定性发生坍缩(波函数坍缩),从不确定的混沌状态变为确定状态,这也是干涉条纹消失的原因。

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