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为什么有人说双缝干涉延迟实验的结果很恐怖?

准确地说,真正让人恐怖的不是双缝干涉,而是单电子双缝干涉,对于它的一种解读可成为平行世界存在的证据。为了说明这,不妨先看看双缝干涉的由来及意义。

最早也最有名的杨式双缝干涉

在1704年牛顿发表《光学》后,光的波粒之争,以牛顿的名气,而使得光的粒子说获得了更多的选票,占得统治地位。

而1807年,托马斯·杨的一篇论文立马扭转了这个局面。在论文中他如下描述了一个实验:

“使一束单色光照射一块屏,屏上开有两条狭缝,可认为这两条缝就是两个光的发散中心。当这两束光射到一个放置在它们前进方向上的屏上时,就会形成宽度近于相等的若干条明暗相间的条纹……”



这就是大名鼎鼎的杨式双缝干涉实验。通过托马斯·杨的这个实验,人们测得了光的波长,从而为光的波动性提供了重要的实验依据。

光的波动性开始重新受人瞩目。1873年,麦克斯韦的《电磁通论》一书一经出版,光就是电磁波的结论一时间成了最主流的光学解释。

但关于光粒子性的印象也同样让人难以舍弃,于是随着光子概念被爱因斯坦提出,光的波粒二象性被科学界确认,并且所有的微粒子都具有明显的波粒二象性。

但很多人对“波粒二象性”却存在着这样一种误解:单个粒子表现为粒子性,而大量粒子表现为波动性。

于是,后来随着实验技术的成熟,科学家们用电子取代了光子,以单电子发射,看看又会出现什么情况呢?

诡异的单电子双缝干涉现象

因为经典的波动学中,大家知道波要产生干涉现象必须是两列波相互错位叠加,才能产生明暗交错的干涉投影。

如果只是一个粒子,应该就没办法干涉了。

为了证明这一点,科学家准备了一次只能发射一个电子的电子枪,在它前面同样放置两条狭缝,日常经验告诉我们,电子只可能通过两条狭缝的其中一条,后面最多只会出现两条清晰的电子落点投影。

但令人诡异的是,实验结果还是会出现明暗交替的干涉投影,就像一个电子同时通过了两条狭缝,然后与自己干涉。

上图为电子依次7、100、3000、20000、70000次通过后的投影。
这种不符合我们日常认知的实验结果,让科学家们非常困惑。

于是又有人想到安装一种特殊的摄像头看看电子到底如何穿过缝隙,实验结果是电子只会随机从一个缝隙里出来,绝不会分成两半穿过。同时一旦这样做了,干涉条纹就会消失了,实验结果只会得到两条明亮的条纹,但一旦关掉摄像头,干涉条纹就又会出现。

这可在科学界炸开了锅。这意味着:一旦观察,电子就循规蹈矩的穿过缝隙形成两条明亮的条纹,一旦不观察,电子就自行干涉形成明暗交替的条纹。

就是因为这样,单电子的双缝干涉,被一些人解读为由于人类的意识参与,而左右了实验结果,这太可怕了,这是第一次在科学实验中证明人类的自身意识决定了世界的客观存在。

还有一种解释是,电子实际上存在于同一时刻的多空间中,称之为“空间叠加”,我们每次一次观察都导致了世界的分裂,不同种情况同时出现在了不同的分裂世界中,这就是埃费雷特的多重世界诠释。这也是所有科幻作家们,最喜欢的一个科学理论。


当然这些阐述,在随后的科学发展中基本都被否定了。

科学家开始更深入地研究单电子双缝干涉,他们认为可能是由于用于观察的光子扰动了电子,所以才导致这个结果。于是人们开始把用于观察的光的频率降到足够低,这样光的动量就会变得很小(动量p=hν/c),那么碰到电子时就不会对电子造成大的干扰。

实验结果:只要光的频率足够低,电子果然又开始出现干涉现象了,但由于光的频率太低,我们观察到电子的图像就会变成一团模糊的闪光,也就是说我们还是看不见电子到底是怎么穿过两条缝隙的。

这就像后来哥本哈根解释的不确定原理:有一些成对的物理量(例如,坐标与相应动量分量、能量与时间等),要同时测定它们的任意精确值是不可能的,其中一个量被测得越精确,其共轭量就变得不确定。

另外,除了上述的同一方向的干涉实验,1992年,新墨西哥大学物理学家们还设计了一个更诡异的实验。

相反方向的单光子广角干涉实验



以上是单光子广角干涉实验的示意图 。

在S处每次只释放出一个光子,该光子有两条可能达到接收器的路可以走,分别用红色虚线和蓝色点线来表示。

下面中间的分束器可以让光一半透射,一半反射。也就是说每次单光子如果走红色虚线路径,有一半可以透射到接收器上,如果走蓝色点线有一半可以反射到接收器上。但不管怎么样,光子应该只能走其中一条路径。

但实验结果显示,接收器上还是出现了明暗交替的干涉图样,也就是说单个光子同时“通过”了两条路径然后自行发生干涉。

这比双缝干涉更诡异了,毕竟这两条路径几乎是相反的方向了!一个光子能同时向左又向右的行动?

由此看来,光的波粒二象性远没我们想的那么简单!

从某瞬间来看,光子是一个粒子,不会分成两半,但结果显示它又是像波一样的概率分布,表现为波的性质。

结语:

就像提出光子论的爱因斯坦所说,光子到底是什么?他一直都没想明白。

以光子为代表的量子们或许是我们这个世界上最神秘的东西了。至于从它们身上还会发现什么令人震惊的秘密,也就变得没什么好奇怪的了。

至少我们现在已经明白,不确定才是这个世界的基石。

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