光的双缝干涉(光的双缝干涉图样)

两百多年前的托马斯杨干涉实验,向世人证明光是一种波而不是一种微粒,这个实验非常有力地证明了光具有波才具备的自我干涉性质。

光因为是一种波,所以在通过双缝之后,会发生干涉现象,从而在屏幕后面形成明暗相间的条纹

为什么说电子双缝干涉实验结果很恐怖?到底恐怖在哪?

这个实验在它被发明的一百多年后,成了整个物理学的中心,甚至成了现代量子物理学开端的标志性实验,

爱因斯坦的观点认为光是由一个个的“光量子”(简称“光子”)组成,

这些光子聚集在一起,表现出波的特性,但是单独来看,它又具备粒子性。这就是“波粒二象性”。

换句话说,光既是粒子,又是波。

光既是粒子又是波,你在读到这句话的时候不感到奇怪,是因为你对“波”和“粒子”并没有感性认识,

但是如果说“ XX既是猫又是狗”

“XX既是石头又是金子”

“XX既是活的又是死的”,你一定会大声说“荒谬”“脑子坏掉了吧”。

在上世纪初,许许多多物理学家听到“光既是粒子又是波”,与你听到“XX既是猫又是狗”时感到荒谬是一模一样的。

在物理学家的眼里,波就是波,粒子就是粒子,两者截然不同。

比如说水波吧,水分子的上下振动引发了波纹,这个波纹只是表示能量的传递,并不是一个真实的客观实在的物体;

再比如说声波,也只不过是空气分子振动形成的而已,除了空气分子和传递的能量外,再也没有别的什么东西。

水波和声波都不可能是一个个实实在在的小球在水中、空中飞来飞去。

然而随着各种各样的实验被设计出来,随着理论物理研究的深入,物理学家们终于开始接受,原来波的产生并不是一定要有介质,以太是不存在的,在真空中光波也能转播,

而且光波中真的含有数量无比巨大的光子,单个光子的行为看起来就像是一个经典粒子的行为,但是聚集在一起,就形成了波。

当这个观点被越来越多的物理学家接受的时候,突然有人站出来问了一句:“那么请问,在双缝干涉实验中,单个光子到底是通过了左缝还是右缝呢?”

很快,物理学家们都意识到,这下好了,物理学的真正麻烦来了

这个普普通通、简简单单的问题到底意味着什么?是什么力量使基础理论物理中经典世界观陷入了万劫不复的深渊呢?

让我给你详细解说这个问题对物理学家们造成的震撼。

一束光如果只通过一条狭缝,那么在屏幕上不会产生干涉条纹;

如果通过两条狭缝,则会产生干涉条纹。

请你想象一下,假如我们把一束光看成是由​亿亿万​个光子聚合而成,每一个光子就像一个小球

(当然光子并不是一个小球的形状,只是打个比方,并不影响我们探讨),

当其中一个光子遇到了狭缝的时候,按照我们朴素的观念,这个光子要么通过左缝,要么通过右缝,二者必选其一。

但问题是,当一个光子通过左缝的时候,它是怎么知道还有另外一条右缝的存在的呢?

光子只是一个无生命的小球,它可不像人,在快飞到狭缝的时候用眼角的余光扫一眼就知道边上是否还有一道缝隙,

如果看到还有一道缝我就这么飞,如果没有另外一道缝,我就那么飞。

你可能还没听懂,没关系,我来画图讲解,这个事情我必须要喋喋不休地说到你完全听明白了才能罢手,这事关整个量子物理学的理论根基,绝不能含糊过去。

现在我们先在平面上开一条缝,看看如果只有一条狭缝的情况下,光子会怎么通过这条单缝:

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为什么说电子双缝干涉实验结果很恐怖?到底恐怖在哪?

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光子通过单缝时,随机落在屏幕后面的一片区域内

如果我们做一个简单实验,很容易就发现这是所谓光的“衍射”现象,一束光通过一条狭缝照在后面的屏幕上,会形成一片光亮区域,离狭缝越近的区域越亮,离狭缝越远的区域越暗。上面这幅图中我们用了一种很直观的比喻,把光子看成一个个小球,它们通过一条狭缝后,并不是走直线,而是根据概率分布在屏幕上,中间多两边少。

但是,一旦在那条狭缝的边上再开一条狭缝,情况马上会变得很神奇,我们会看到光子就像一支训练有素的军队,排成了整整齐齐的队形。

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为什么说电子双缝干涉实验结果很恐怖?到底恐怖在哪?

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【图9-3】

如果是双缝,光子在通过双缝后会规则地排列在屏幕上

这个事情确实有点神奇。光子会排列成整齐的队形也就算了,毕竟可以用波的干涉现象去解释;但是单个光子在通过了左缝的时候如何知道有右缝的存在,通过右缝的时候又如何知道有左缝的存在呢?你要知道,相对于光子的尺度来说,双缝之间的距离就好像从地球到月球一样远。把这个问题问得更简洁一点,就是:单个光子到底通过了左缝还是右缝?

我怕你还是没有搞清楚这个事情有多怪异,为保险起见,我再来打个比方。假如你是一个足球运动员,在球门和你之间竖着一道开了双缝的墙,然后你开始对​着​两条缝射门,你觉得会呈现出怎样一幅情景?是不是下面这幅图显示​的​那样:

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为什么说电子双缝干涉实验结果很恐怖?到底恐怖在哪?

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【图9-4】

你对着双缝的墙射门的场景

但是现在,如果你脚下踢​的​不是足球,而是一个个光子,就会呈现出下面这样怪异的图像:

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为什么说电子双缝干涉实验结果很恐怖?到底恐怖在哪?

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【图9-5】

如果用光子当足球,会射成这样

如果在现实生活中看到这样的情景,你是不是会觉得太怪异了,就像玩魔术一样?难道这竟然是真的?这是为什么呢?

以丹麦物理学家玻尔为首的哥本哈根学派站出来跟大家解释道:“这个问题本身不成立!光子既不是通过左缝,也不是通过右缝,而是同时通过了左缝和右缝。”注意,这里玻尔可并不是指光子会分身术,一分为二,一半通过了左缝一半通过了右缝,他说的意思很明确,就是指同一个光子同时通过了左缝和右缝。

对,你没有听错,这确实是从严谨的物理学家嘴里说出来的话。请相信我,就在你感到莫名其妙的同时,我也跟你一样感到无法理解,量子的所有行为几乎都不是正常思维能够理解的。按我们惯常的理解,爱因斯坦和玻尔两人可以同时分别位于德国和丹麦,或者他们可以今天位于德国,明天位于丹麦;但是如果你告诉我爱因斯坦同时位于德国和丹麦,玻尔同时通过了凯旋门和埃菲尔铁塔,我一定会认为你脑子坏掉了。

当哥本哈根学派这么站出来解释的时候,同样也是冒天下之大不韪。大多数物理学家起而攻之,尤其是爱因斯坦,对玻尔连连摇头叹息,说玻尔丢掉了最基本的理性思想。还有某位最激烈的物理学家,说如果哥本哈根学派的解释是对的,他宁愿改行去当医生,从此不再搞物理了。

你可能会想,大家何必吵吵闹闹呢?光子到底通过了左缝还是右缝,我们在实验室里仔细观察一下不就好了吗?与其坐而论道不如实际行动,

去做个实验不就知道了吗?你的想法完全没错,物理学家们也都这么想,

只是这个实验的难度远远超过人类的想象。光子可不是一个足球,天下还没有那么强大的摄影机能把光子的飞行轨迹录下来,也不可能在光子身上绑一个微型跟踪器,然后全天候跟踪。

再说得深一点,你想想我们为什么能“观测”到一样东西?照相机、摄像机为什么能把物体的影像拍下来,本质原因在于物体发射出无数的光子,或者反射出无数的光子,这些光子在我们的视网膜或者底片上成像,于是被我们“看”到。但如果我们要“观测”的对象就是光子本身,那麻烦可就大了,这个光子如果射到了我们的眼睛里,那它就自然不会跑到左缝那里去,也不会跑到右缝那里去(跑到我们眼睛里来了)。那有没有可能反射别的光子?很抱歉,不能,别的光子跟它长得一样大,能量一样强,它没有能力把别的光子反射出来而自己的运动又不改变,就好像一粒子弹无法把另外一粒子弹给反弹出去一样。总之要“观测”光子通过左缝还是右缝这个事情,基本上,很难。

但物理学家毕竟是物理学家,他们的探索精神不是常人能比的。他们很快发现,光有双缝干涉现象,一束电子流同样也有双缝干涉现象,一束电子流跟光一样具备波粒二象性。记录和测量电子就比测量光子容易得多了,因为电子不但有质量,而且带电,大小也比光子大得多。我们大可以在双缝上各安装一个用来观测和记录的仪器,来观察电子有没有通过这道狭缝。于是,很多物理学家都是为了证明哥本哈根解释有多荒谬,不辞辛劳地苦苦改良实验设备,一次次地提高精度,没日没夜地在实验室挥汗如雨。他们想拿到明确的证据,来说明在双缝干涉实验中,电子是确定无疑地通过了某条缝隙。

为什么说电子双缝干涉实验结果很恐怖?到底恐怖在哪?

​但结果怎样呢?好在我们的物理学家们都有诚实客观的本性,尽管他们是如此地厌恶哥本哈根解释,但是全世界的物理学家都不得不承认,他们的实验表明:

一旦在狭缝上装了记录仪,他们确实可以观测到电子通过了某条狭缝;但怪异的是,一旦电子被观测到了,双缝干涉条纹也就消失了,如果不去观测,双缝条纹又会神奇地出现。这就好像在那个用光子当足球踢的实验中,一旦有人在某个墙缝上看到了足球,足球就不再会整齐地落在网的固定位置,而一旦没有人去看足球到底飞过了哪个墙缝,足球又会神奇地出现在那些固定位置上。这事实在是太怪异了,物理学家们怎么也想不通,电子的行为怎么还跟观测有关?一旦观测,它就只通过一条狭缝,不产生干涉条纹;不观测,它就同时通过(看来只能这么理解了)两条狭缝,留下干涉条纹,这实在太不可思议了。再打个比方,如果你用一杆冲锋枪瞄准了标靶,然后把冲锋枪用装置固定住,让枪自动开枪射击,枪枪都正中靶心,你很满意。于是你换上由电子制成的子弹,再次开枪射击,但是怪异的事情出现了:如果你盯着标靶看的话,枪枪都命中靶心,可是一旦你背过身去,不看靶子,打了一梭子之后,你转头一看,发现子弹以靶心为圆心​成​散状分布。你以为枪的固定装置出了问题,于是再盯着靶子打一次;这次又是枪枪命中靶心,当你再次转过头去开枪,子弹又开始“乱打”了。这事已经远远超出了怪异的范围,简直是让人抓狂。还记得爱因斯坦的世界观说的一个中心两个基本点吗?一个中心是“因果律”,两个基本点是“定域”和“实在”。现在“实在”这个爱因斯坦的理想宇宙的基本点遭到了严重​的​怀疑,这个实验居然再三向物理学家们展示:电子的行为跟我们的观测有关。电子似乎不再是一个超脱于我们意识而存在的“客观实在”,它似乎是为我们而存在,为我们而表演,它的行为受我们“看”与“不看”影响,爱因斯坦的世界观遭受到第一次最直接​的​冲击。

玻尔领衔的哥本哈根学派此时又站出来跟大家解释说:“实验结果大家都看到了,我们也反复地做了电子的双缝干涉实验,结果都是一样的。这说明电子必须符合‘不确定原理’,也就是说电子的运动轨迹是不确定的,它的运动轨迹不能用一根线来表示,只能用一朵概率云来表示。我们在观测之前永远无法说出电子的确切位置,只能说出它在某一个位置的概率。当我们观测到电子以后,电子虽然处于确定位置,但它是怎么到这个位置、通过什么路径来的,我们仍然不可能知道。事实上这个电子同时存在于那朵概率云中的所有位置。而且,我们对电子的位置测量得越精确,对它的速度就必然测量得越模糊,测量行为本身就会影响电子的运动。反之,我们对它的速度测量得越精确,对它的位置就必然测量得越模糊。换句话说,我们永远不可能同时知道一个电子的位置和速度。因此不确定原理也可以​叫作​‘测不准原理’”。

如果牛顿地下有知,听到了玻尔的这段话,必然会蹦出来大骂玻尔离经叛道。牛顿是坚定的决定论者,他认为只要知道了某一时刻的所有信息,就能预言未来发生的一切。然而现在玻尔很无情地告诉牛顿:对不起,你连最基本的速度和位置信息都是永远无法同时准确地知道的,又何谈计算和预测呢?爱因斯坦也站出来反对说:“玻尔先生,很抱歉,本人实在不喜欢你们的这个解释,没有确切的运动轨迹,只有概率,这叫什么解释?你以为上帝是一个喜欢掷骰子的赌徒吗?时间和空间都被你们拿到赌桌上来碰运气了!”

双缝实验做到这一步已经够疯狂​的了​,居然引出了一个“不确定性”原理:物质的最基本构成——电子,以及所有跟电子差不多大小的基本粒子的行为都是不确定的,我们要么只能知道他们在什么地方,要么只能知道它们的运动速度,想同时知道两样,想都别想。但接下去的实验进一步告诉我们这样一个道理:在量子的世界,没有最疯狂,只有更疯狂。物理学家们又几乎同时发现了一个更“恐怖”的结果:哪怕你是在电子已经通过了双缝之后再去观测电子实际通过了哪条狭缝(这里的原理比较复杂,我们在这里不需要去搞清楚具体是什么样的观测手段,总之你只要知道物理学家们有巧妙的方法可以观测),只要一观测,干涉条纹就消失了。也就是说哪怕你在电子通过了双缝之后再观测,电子也不再同时通过双缝;而只要不观测,电子又同时通过双缝了,让电子同时还是不同时通过双缝是可以在电子实际通过以后再决定的。

诡异,诡异,真是太诡异了!这个实验结果直接违背了爱因斯坦信仰的“因果律”,本来事情的原因影响结果,结果是原因导致的,现在好了,事后观测行为居然影响到了电子之前​做​出的选择,这岂不是变成了结果影响原因了吗?难道历史是可以改变的吗?(费曼辩护说,不是历史可以改变,而是历史本身就是有无数个,可能发生的历史实际上都已经发生了,很多人听完当场昏厥在地)这严重违背因果律,严重离经叛道。

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为什么说电子双缝干涉实验结果很恐怖?到底恐怖在哪?

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哥本哈根学派继续解释说:“在我们看来,没有什么真正的因果,只有‘互补原理’,原因和结果是一种互补关系而不是先后关系,你我既是演员又是观众,观测者和被观测者互相影响,形成互补关系,原因会影响结果,结果也一样会影响原因。”

爱因斯坦这次是真的坐不住了,他写了一系列文章,还在公开会议上和玻尔辩论。他认为玻尔已经从一个物理学家变成了一个形而上的哲学家,玻尔的理论哪里像是物理学,简直就是一种哲学,还是带伪字的。爱因斯坦虽然对实验结果也同样感到震惊,但他认为一定会有一个温暖的符合经典世界观的理论去解释这些现象,只是我们还没找到这个理论罢了。另外,他对物理学家的实验方法也提出了一些质疑,认为所有的实验结果只能作为一种统计近似,并非是颠覆自己所信仰的“因果律”和“实在性”的直接证据。

但不管怎么说,这个双缝干涉实验,对爱因斯坦一个中心两个基本点中的两项内容都造成严重冲击。整个物理界发生大混乱,从此狼烟四起,天下不再太平。要知道,这世界的所有物质从本源上来说,都是由基本粒子,也就是量子构成的,如果量子是不确定的,那么是不是由量子构成的我们也是不确定的呢?最惊人的一次实验是1999年由​一组​物理学家在奥地利做的,他们用60个碳原子组成了一种叫“巴基球”的东西,用这个巴基球来模拟双缝实验,结果他们同样得到了神奇的干涉现象。现在的科学家们设想用更大的病毒来做双缝实验,病毒从某种意义上来说,已经是生命体了,它们或许具备“意识”。不知道他们会如何体验这种同时通过双缝的感觉。

如果一个光子通过有两个狭缝的平面,

只要观察了其中的任意一个狭缝,

那么光子就不会同时通过两条狭缝,

但如果不进行观察,那它就会同时通过两条狭缝。

然而,即便光子是在离开平面(狭缝后)后,

在击中目标之前被观察了,

它居然也不会同时通过两个狭缝。

这次我相信你一定看懂了,不但看懂了,而且开始感到抓狂了。很显然,我们每个普通人心目中的那个朴素的宇宙观受到了冲击?

(今完)

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