双缝实验

2021年10月6日光学1,785阅读模式

电子双缝干涉实验,我们简称其为双缝实验,电子双缝实验是量子力学中一个极具有代表性的物理实验,它使得物理学家对于人的意识与物质的关系陷入了更加深刻的思考。

双缝实验

双缝实验曾被评选为20世纪令人头皮发炸的十大实验榜首,但是双缝实验的物理逻辑与实验过程并不是很复杂,我们在这里简单的介绍一下。

双缝实验

双缝实验可以分为三个部分:

第一个部分是一个可以发射单电子的仪器,它需要保证在任何时刻只能有一个电子被发射出去。

第二部分是一个可以阻挡电子运动的屏障,在这个屏障上有两条平行的缝隙,这个带有两条缝隙的屏障需要保证在任意时刻,只能有一个电子通过其中的任意一条缝隙。

第三部分是一个感应屏,这个感应屏可以探测出电子通过缝隙之后的最终位置。

双缝实验

其实双缝实验最初的实验目的是为了证实电子的波粒性,也就是说为了证明电子到底是一种粒子,还是一种波?如果电子是一种粒子的话,那么电子在不断被发射到带有双缝的屏障之后,电子一定会遵循粒子运动的特质,以直线运动的方式通过双缝(任意一条),并且在后方的感应屏留下两条与双缝平行的图案。

双缝实验正式开始:

双缝实验

物理学家使用仪器不断向双缝发射单电子,但是后方的感应屏却没有与物理学家最初预想的一样,呈现出于双缝平行的两条图案,反而感应屏上出现了明亮条纹与暗淡条纹相间的图案,粒子运动是绝对不可能出现这样的运动轨迹的,这是典型的波运动后产生的干涉图案,也就是说单电子同时通过了两条缝隙,并且在通过缝隙后自己干涉了自己,难道电子是一种波吗?于是物理学家反复又实验了很多回,但是感应屏后背的干涉图案始终存在。

后来物理学家得出了结论:电子具有波粒二象性,也就是说电子可以用粒子的特性描述,也可以用波的特性描述。

双缝实验

但是双缝实验到此远远没有结束,物理学们十分好奇:电子是如何作为一种波同时通过两条缝隙的?于是物理学家们在双缝上安装了特殊的仪器,这种仪器可以间接的观察到电子是如何通过两条缝隙的,这样物理学家们就可以更加直观的了解电子的波动性是如何形成,但是令物理学惊讶的是:当这种特殊的观测仪器被安装之后,电子在观测下却变成了粒子态以直线通过了双缝。

然后物理学家又将观测仪器撤下后重新进行了双缝实验,但是得出了结果却更加令人惊讶:在电子没有被观测的时候,电子又是以波的特性同时通过了两条缝隙,物理学家经过了多次双缝实验,最终得出了这样的结论:当电子没有被观测的时候,电子就是一种波,当电子被人类所观测的时候,电子就是一种粒子。

双缝实验

这个双缝实验结果一经公布,整个物理学界就瞬间沸腾了!电子到底是一种粒子,还是一种波,这究竟取决于人是否进行了观测?换句话说:人的观测行为究竟决定了电子的状态?这简直太不可思议了!难道电子有一双神奇的眼睛?电子可以根据人是否进行了观测来改变自身的状态吗?

换句话说:人的观测行为到底是什么?这种人的观测行为与机器的纯物质观测有何区别呢?

双缝实验

其中的区别说复杂也复杂,说简单也简单,人的观测与纯物质观测最大的区别就是:在人的观测行为一定有人的意识参与到其中,或者说人的意识在微观世界一定存在着某种作用,但是不是人的意识真的决定了微观粒子的状态?现在下结论还为时尚早。

波粒二象性

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。

波粒二象性
双缝干涉实验

根据光的、电子的等量子双缝干涉实验的结果, 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。”量子双缝干涉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。

双缝干涉实验

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