波粒二象性

2021年10月6日光学484阅读模式

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。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”。

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。

对于波粒二象性首先讨论“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。

波粒二象性

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。

波粒二象性

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。

波粒二象性

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。

波粒二象性

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 。

对于波粒二象性,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。

波粒二象性

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。

波粒二象性

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。

波粒二象性

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 。

波粒二象性

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。

双缝实验

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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