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电子双缝干涉实验到底讲述了什么,为什么让科学家感到恐怖?

电子双缝干涉实验,或许是人类历史上最诡异最匪夷所思的实验,它就像晴空万里的天空飘着的一朵乌云那样,始终笼罩太阳发出的光明,让物理学家们甚至烦恼。

那么,电子双缝干涉实验到底是一个怎样的实验呢?为什么让科学家们感到恐怖呢?

说白了,这个实验就是经典物理学与量子力学之间的较量。经典物理,是三百多年前牛顿建立的基础理论,以万有引力和力学三大定律为基础。描述的是我们非常熟悉的宏观世界运行规律,告诉我们万事万物都是可确定的,可描述的,也具有因果关系。

爱因斯坦创建的相对论也属于经典物理学范畴,只是相对论描述的是高速运动状态下的宏观世界而已,属于牛顿力学在高速世界的拓展。

不管是牛顿力学还是相对论,都告诉我们宇宙中一定存在客观的规律,只要我们发现它,就能了解描述世界上的一切自然现象,这种观点也被称为“决定论”。

决定论非常符合我们的日常生活经验和感知,大部分物理学家都对决定论深信不疑。举个例子,我打你一拳,你会感觉到疼,这就是决定论最简单的描述。如果说你先感觉到疼,然后我才打你一拳,没有人会相信这样的过程,因为它违背的因果关系。

但是量子力学的横空出世彻底打破了经典物理学的“决定论”,尤其是电子双缝干涉实验,更是让物理学家们摸不着头脑,甚至开始怀疑世界的真假。

实验过程其实很简单。一个电子发射装置,一块有两条狭缝的挡板,一块接受电子的屏幕。

在人们的固有思维里,电子是实实在在的粒子,就像玻璃球那样。所以当我们用电子发射装置不断朝向狭缝发射电子时,屏幕上应该会出现两条条纹才对。

但实验结果让物理学家们大吃一惊,屏幕上竟然出现了多条干涉条纹。这说明电子表现出了波的特性,电子在穿过两条狭缝后发生了干涉现象。

紧接着物理学家们又改进了实验,这次不再一下子发射大量电子,而是一个一个发射。物理学家们认为这样就肯定不会出现干涉条纹了。

但结果同样大大出乎了他们的意料,干涉条纹再次出现。物理学家们彻底惊呆了!这说明了什么?

说明单个电子同时穿过了两条狭缝,然后自己与自己发生了干涉,只有这样屏幕上才会出现多条干涉条纹!

这怎么可能?一个电子怎么可能同时穿过两条狭缝?物理学家们简直要怀疑人生了!

不过这还不算啥,更恐怖的还在后头。

物理学家们想知道单个电子到底是如何同时穿过两条狭缝的,于是他们在挡板附近安装了探测器。

结果电子就好像猜出了物理学家们的心思一样,并没有同时穿过两条狭缝,乖乖地从其中一条狭缝中穿过去,干涉条纹也神奇消失了。

物理学家们彻底“疯癫”了,人们的观测行为竟然会影响电子的选择!

不过事情远没有结束。

物理学家们想到用探测器观测电子,可能会影响到电子的状态,于是他们决定在电子穿过狭缝之后再进行观测,这样就不会影响到电子穿越狭缝的行为了。这也是改进后的量子擦除实验。

但奇怪的事情同样再次上演,只要一观测,干涉条纹就消失。不观测,干涉条纹就会再现!

物理学家们彻底疯掉了!因为量子擦除实验意味着统治我们宏观世界的因果律彻底被颠覆了,在量子世界很可能根本就不存在因果关系,一切都是不确定的,结果可能会影响原因。

对于电子双缝干涉实验的诡异现象,物理学界有很多种解释,其中以波尔为首的“哥本哈根学派”的诠释最受关注,也是当今科学家的主流诠释。

哥本哈根学派认为,不仅仅是光子,微观世界里的任何微观粒子都具有波粒二象性,比如说电子,质子,中子等。

哥本哈根学派的另一个代表人物玻恩更是提出了概率波解释,诠释了薛定谔方程中波函数的意义,也因此获得了诺贝尔物理学奖。

概率波诠释认为,我们只能知道微观粒子在某个位置出现的概率,无论如何都不可能确定微观粒子的具体位置。要想确定,只有通过观测,而观测也只是让微观粒子的波函数“坍缩”了,随机坍缩为某个具体的位置。

这种概率波和不确定性诠释让爱因斯坦和薛定谔等“决定论”支持者无法接受,他们不相信世界的本质是概率,爱因斯坦坚持认为“上帝不会掷骰子”,认为量子世界诡异现象的背后一定隐藏着没有被发现的“隐变量”,一旦发现了“隐变量”,就能准确描述量子世界的诡异行为。

但目前来看,爱因斯坦真的错了,“哥本哈根诠释”是目前物理学界关于量子世界的主流理论。

不过至今也没有谁能解释量子世界“不确定性”背后的“底层逻辑”,这也是为什么物理学界大佬费曼会感叹:没有谁真的理解量子力学!

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