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带你了解经典“双缝实验”,探讨科学家无法解释的——量子之谜!
科技奥妙天地
百家号12-02 12:10
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大家好,欢迎来到科技奥妙天地,跟小编一起了解宇宙的奥妙。

如今关于宇宙中的任何推论都不能作为定论,唯独量子的不确定性,是科学家们确定不移的,那就是——一个量子,拥有两个参数,称为共轭变量——即不可能在同一时间精确测定两个变量的确定值。比如你对特性A的了解越精确,对特性B的了解就越不精确,反之亦然。今天小编就带大家了解一个带你了解经典“双缝实验”,探讨科学家都无法解释的——量子之谜!

双缝实验

这个自然规律是一位名叫沃纳·海森堡的物理学家发现的,他发现诸如电子这样的实体,其位置的不确定性乘以其动量的不确定性始终大于一个特定的(极小的)数值。只要你愿意,原则上你可以尽可能接近此限制,但是,你对诸如电子这样的量子实体的位置确定得越精确,你对这个量子将去向哪里就越不确定。电子的动量(或速度向量)确定的越准确,它的位置就越不准确定。这种不确定性是电子(或其他量子实体)本身的一种属性。你可能听不懂,没关系,小编将这些总结成了一句话:电子自己都不能同时“知道”它在哪里和它将去向何方。

光束穿过双缝

量子世界的本质可以用一个简单的实验概括,那就是经典的“双缝实验”。这个实验中有一个空白挡板,在这个空白挡板上有两个小孔(或者小缝),向这两个小孔中射出光线,或电子束。光线从这两条狭缝中跑出来,跑到另一张卡片上,然后会在这张卡片上变成一种图案,这种图案就像黑白相间的条纹一样。19世纪,人们是这样解释这种现象的,光波从两个缝隙中扩散开来并且互相干扰。小编给大家举个例子,你把两个鹅卵石同时扔到一塘静水中,产生的涟漪会相互重叠着扩散开来。小编的理解是,当波以同一步调扩散的时候,它们的力量就会相加,从而形成明亮的条纹;当波不是以同一步调扩散的时候,他们的力量就会相互抵消,从而形成暗条纹。

黑白条纹

但20世纪初,爱因斯坦证明光的行为就像一串粒子流,这一过程被称为光电效应,在此过程中,射到金属表面的光把金属表面上的电子激发出来。射出的电子的能量值是特定的,爱因斯坦对它的解释是:因为光以粒子的形式照射到了金属表面,这种粒子现在被称为光子,而且每一个粒子都具有一定的能量。小编顺便提一句,正是因为他的光电理论,而不是相对论,使爱因斯坦获得了诺贝尔奖。因此对于光,你可以做两种试验,一种实验表明光的行为方式像波;而另一种实验表明光的行为方式就像一串粒子流。在研究电子时,同样证明了电子既像波,又像粒子,但证明顺序颠倒了过来,首先证明的是,电子是粒子,然后才证明电子是波。

据小编了解,今天,双孔实验已经演化出了多种版本,而且这些实验都做到了非常精细的地步。例如,在不同的试验中,可以发射单实体,如光子或电子,使之通过这两个孔,一次通过一个。下面,小编将描述发射电子得到的试验结果。如果我们不是在孔的另一边放一张卡片,而是放一个类似电脑显示器那样的监测屏幕,电子每次到达这个监测屏幕的时候,它都会记录下一个光点,并且在屏幕上保留这个光点。随着越来越多电子的到来,这些光点就会构成一种图案。

研究人员在做这项实验的时候,每一个电子都是以一个粒子的形式到达屏幕的,而且每个电子都会在屏幕上形成一个光点。但随着成百上千的电子相继通过实验中的孔,在屏幕上所形成的图案就成了一种干涉图案,这就是实验中扩散形成的典型图案。每个电子看来不仅是一次穿过两个孔,然后互相干涉,而且还会在干涉图案上给自己找到合适的位置,这个位置位于先于它或在它之后到来到电子的旁边,无论是在空间上还是在时间上,量子世界的实体似乎了解整个实验。

在另一项实验中,实验者可以设置监测器来观察这两个孔,监视每个电子到底穿过了哪个。然而这时,令小编惊讶的事发生了,当他们这样做的时候,他们从未发现一个电子可以同时通过两个孔。他们只看见这个电子,不是穿过这个孔就是穿过那个孔,而且当他们这么做的时候,从未出现过干涉图案。屏幕上的光点会形成两个斑块,每个孔后面都有一个,如果你把电子看成粒子的话,你就会想象出它形成怎样的斑块儿了。所以小编觉得,电子似乎也知道是否有人在监视着他们——同样光子和所有其他的了量子实体都有这样的表现。

查理·德费曼曾因在量子理论方面做出的贡献获得过诺贝尔奖,他说这个实验“揭示了量子力学的核心,事实上,这个实验蕴涵着量子力学中唯一的迷。”你们是不是跟小编一样仍然无法说服自己的大脑,没法明白这个双孔实验到底是怎么回事?不要自卑,因为费曼说:“我想我可以有把握地说,没有人理解量子力学……没有人知道他怎么会是那样子的。”所以和你一样,很多人也有相同的苦恼……
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