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电子双缝干涉实验为什么让科学家感到恐怖?到底发现了什么?

量子力学到底有多恐怖?

或许恐怖谈不上,但绝对让人感到震惊,完全颠覆了人们几千年来的传统认知。于是很多人就用“遇事不决量子力学”来描述量子力学的诡异性。

而电子双缝干涉实验的过程和结果甚至让科学家们感到恐怖,到目前为止仍然没有一个让人信服的理论来诠释这个诡异的实验。

电子双缝干涉实验到底诡异在哪里?咱们先从头说起,从光说起。

作为物理学界的大佬,牛顿对光的很多现象都非常痴迷。通过三棱镜实验把一束光分成了多种颜色,同时光既然能折射,也能反射,那么光应该是由最小的粒子组成,就像一个个微小的玻璃球那样,这就是牛顿关于光的“粒子说”。

不过到了19世纪,托马斯杨做了一个实验:托马斯杨干涉实验。实验并不复杂,让一束光穿过两条狭缝,然后达到狭缝后面的屏幕上。

如果光真的像牛顿所说的是“粒子”,那么屏幕上应该会呈现出两条条纹。

但是结果并不是那样,屏幕上显示出的是很多条条纹,显然是光通过狭缝后发生了干涉,于是产生了干涉条纹。

这表明,光是一种波。就像水波那样,两条水波相遇时会发生“干涉”,重叠后形成波峰和波谷。

托马斯杨的实验只是说明光是一种波,这没有什么诡异的,诡异的事情还在后面。

随着现代物理学的发展,科学家们发现光子在传播过程中并不是连续的,而是一份一份的,这就是所谓的“光量子”,最开始由普朗克发现的,光的“粒子说”再次被科学家们提出来。

既然光是粒子,为什么通过狭缝时会发生干涉行为呢?就像我们用玻璃球射向狭缝,玻璃球不可能会发生干涉。

如果说科学家对“光到底是粒子还是波?”还有争议的话,那干脆直接用电子做实验好了,毕竟科学家们认为,电子是实体粒子,不可能是波。

于是,接下来就到了电子双缝干涉的时刻。

当科学家朝着双缝不断发射电子的时候,最开始屏幕上呈现杂乱无章的亮点。但是当发射的电子数量足够多时,科学家有了意外发现:屏幕上同样会呈现干涉条纹!如下图:

这只能说明一点:电子通过狭缝后发生了干涉。但电子是粒子,怎么可能发生干涉呢?

科学家们一头雾水。于是实验升级了。科学家一个一个发射电子,这样就不会发生干涉了吧?

但结果让科学家再次震惊:屏幕上仍然呈现干涉条纹!因为这说明单个电子同时穿过了两条狭缝,然后自己和自己发生了干涉!

这彻底颠覆了人们的世界观和宇宙观。

科学家们不服,想知道单个电子是如何同时通过两条狭缝的,于是在狭缝旁边安装了探测器进行观测。

奇怪的事情又发生了:电子就好像早就意识到科学家会进行观测,“乖乖地”一个一个通过狭缝,没有发生任何干涉行为,屏幕上只呈现出两条条纹。

科学家彻底疯了:这到底是为什么?

“哥本哈根学派”的领军人物波尔给出了这样的解释:微观粒子的状态是不确定的,处于一种叠加态,它们的状态只能用“波函数”来描述。当我们不去观测时,微观粒子可能在任何地方,而当我们进行观测的时候,就会坍缩为确定的状态(粒子状态)。

说白了,电子其实也是一种波,具有波的特定,所以它的状态是不确定的,可以同时穿过两条狭缝自己与自己发生干涉,产生干涉条纹。

爱因斯坦薛定谔等人坚决反对波尔的观点,认为诡异的量子力学背后肯定有某种未被发现的“隐变量”存在。世界是可描述的,是确定的,也是可预测的。

之后的量子力学经过几十年的发展,波尔提出来的“不确定性”成为了物理学界的主流理论,也就是说,量子世界真的是不确定的,微观粒子时刻处于叠加状态,而观测行为会让叠加态坍缩为本征态(确定状态)。

波尔认为,量子世界的不确定性是大自然的一种固有属性,而观测行为会让量子世界的不确定过渡到确定。

也就是说,我们的世界是否是真实的,完全取决于你是否在观察!当你不观察时,世界就是不真实的,当你观察时,世界就变成真实的了!

难道我们生活在一个不真实的世界?这也太恐怖了!

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