光的双缝干涉实验(光的双缝干涉实验是谁完成的)

双缝干涉实验最早由托马斯·杨于18世纪初提出。一束单色光,穿过两条平行的狭窄双缝,会在光屏上投射出明暗相间的干涉条纹,这就是双缝干涉实验。

人的观察能够影响结果,匪夷所思的双缝干涉实验揭示了什么奥秘?

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该实验起初仅仅证明了光具有波动性,可在之后却颠覆了人们对世界的原有认知。理查德·费曼曾说:双缝干涉实验是量子力学的核心实验,就是因为双缝干涉实验能够展现量子力学的奥秘。

关于双缝干涉实验,得从光的粒子说和波动说这两个理论的争议说起。

牛顿是人类历史上最伟大的科学家之一,他不仅发现了光的色散,还提出微粒说,认为光是由一个一个的微小粒子组成的。而在同时代,惠更斯认为光是一种波。直到1807年,托马斯·杨通过双缝试验发现了光的干涉现象,证明光是一种波而非粒子,光的波动说成为正统,光的微粒说渐趋式微。

如果光是由粒子构成的,这些粒子穿过双缝后,只会在光屏上形成两条亮纹。

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可实验结果并非如此,而是得到了干涉条纹。

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这说明光是一种波,因为只有波才会发生干涉和衍射现象。

到了20世纪初,为了解释光电效应,爱因斯坦重拾光微粒说,并在普朗克能量子的启发下提出了光量子,成功解释了光电效应,并获得了诺贝尔物理学奖。

这让科学家们产生了疑惑,难道双缝干涉实验中光所呈现岀的波动性其实是大量光子相互作用的结果?

为此,科学家们把光子一个一个的释放出来,让它们逐个穿过双缝,竟然也形成了干涉条纹。光子竟然能够自己与自己发生干涉,光子似乎能够一分为二,同时穿过两条缝隙,这真是匪夷所思。可见,单个光子也具有波动性。科学家们把双缝实验中的光子换成电子,也得到了干涉条纹。

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其实,光既具有粒子性又具有波动性,这种现象叫做波粒二象性。德布罗意还大胆地提出了物质波,认为一切粒子都具有波动性。

为了弄清楚干涉实验中光子究竟是如何通过缝隙的,科学家们装了一个探测器,用来观测光子究竟是从哪个缝过去的。虽然知道光子穿过了哪条缝,可神奇的一幕出现,干涉条纹竟然消失了。如果我们不观测,干涉条纹又神奇的恢复了。这说明人的观测行为竟然能够影响实验结果。

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难道光子有意识,又或者真像科幻小说《三体》中描述的那样,有某种未知的东西在监视我们的实验?一些人就此认为人的意识可以左右实验结果,从而用来佐证唯心论。

本着唯物主义的态度,对此,量子力学给出的解释是测量会导致波函数坍塌。只要被观察,光就会随机坍塌为粒子态,干涉现象也就消失了。微观粒子并不像宏观世界中的物体那样具有确切的位置,而是处于一种概率分布的状态,我们只能知道它出现在某个位置的概率,比如核外电子的分布。要想知道粒子的确切位置,就必须进行测量。

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这种现象是不确定性原理和互补原理的体现。一个粒子的位置和动量不可能同时精确,这种不确定性并不是测量导致的,而是物质的内禀属性。根据互补原理,光虽同时具有粒子性和波动性,但波动性与粒子性又是互斥的,不会在同一次测量中出现。

一只猫被装在一个封闭的盒子里,然后一个衰变装置连着毒药瓶,衰变是随机的,打开盒子之前这只猫处于非生即死的叠加态,这就是薛定谔的猫。猫究竟是生是死,只有打开盒子那一瞬间才知道。这只猫就好比双缝干涉实验中的光子,在未测量光子的路径信息前,光子同时穿过两条缝,一经测量叠加态就会塌缩,光子的路径也就变得唯一和确定。同理,当你打开盒子,猫的生死才会表现出来,并且结果是随机的。为了解决这一问题,甚至还出现了平行宇宙的概念。

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更让人匪夷所思的是双缝干涉实验的衍生版本——延迟选择实验和量子擦除实验,在这两个实验中,似乎现在的行为能够改变过去,这将导致因果律被破坏。这些现象还没有得到完美的解释。

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(今完)

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