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跨越200多年的双缝实验
送交者: 老新领导[★☆大明大宋民贵☆★] 于 2018-11-06 6:38 已读 2078 次 1 赞  

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在微观世界里,粒子的行为和我们在宏观世界看到的物质的行为是不一样的,也有违我们的直觉和常识。量子力学为我们研究微观世界打开了一道大门,它用完美的数学解释了微观物理世界很多奇异的现象。在量子力学诞生后近一百年的时间里,一直存在着论争;科学家也一直在设计各种实验,来验证关于粒子奇异行为的理论,揭示量子世界的本质,其中最有影响力的实验就是单电子双缝实验。6parker.com

经典的双缝实验6parker.com

在19世纪初叶,科学界对于光到底是波还是粒子,存在泾渭分明的两种观点。6parker.com

1801年,有一位年仅24岁的英国医生,做了一个实验,引起了科学界的轰动,为光的波动说提供了有力的证据。6parker.com

托马斯·杨6parker.com

这位医生叫托马斯·杨,他做的实验叫杨氏双缝干涉实验。让太阳光透过一个红色的滤光镜,再穿过一张开了一个小孔的纸,这样就形成了一个比较集中的“点”光源;在纸后面再放第二张纸,在上面开了两道平行的狭缝。6parker.com

托马斯·杨利用太阳光的双缝实验装置6parker.com

托马斯·杨认为,如果光是粒子组成的,从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上,会形成两道条纹。6parker.com

但是,实际观测到的是一系列明、暗交替的条纹,这和水面上两道涟漪相遇而形成的纹路一样。干涉现象是波特有的,因此如果出现了干涉条纹,就证明了光是一种波。光波到了两道狭缝处,形成了两个波源。当左边出来的波峰与右边出来的波峰相遇的时候,强强叠加,就会变得更加明亮;而当左边出来的波峰与右边出来的波谷相遇的时候,相互抵消,就会变暗,从而在屏幕后面形成明暗相间的干涉条纹。这个实验,无可辩驳地证明了光是一种波。6parker.com

两列光波发生干涉,波峰、波谷相互叠加和相互抵消的示意图6parker.com

弱光的双缝实验6parker.com

杨氏双缝实验之后一百年,又有一位23岁的年轻人重做了这个实验,又一次引起了学术界的轰动。6parker.com

这位年轻人叫泰勒,他当时还是一位在读研究生。6parker.com

英国物理学家杰弗里·泰勒6parker.com

他研究了爱因斯坦的光量子论文,接受了光是一种粒子的理论。他在光源后加了一层烟熏玻璃,使得光的强度非常低,以至于可以把到达双缝的光看作是一个个光子。这个“弱光”双缝实验,后来被解读为单光子双缝实验,好比用一把“光子枪”,把光子一个一个地朝着双缝发射。请注意,这里的细节和重点是:光子是“一个接着一个”发射的,中间是有时间间隔的(约几个毫秒),而不像杨氏实验里的光是一直亮着的。因为是非常弱的光,要在感光屏幕上留下光影,需要很长的曝光时间,整个实验历时三个月。6parker.com

入射光束的强度降低到可以认为在任何时间间隔内,平均最多只有一个光子被发射出来,也叫单光子双缝实验6parker.com

按照光子的粒子特性,当这些光子一个一个飞到双缝前,有的被挡住,而穿缝而过的光子,应该在后面的探测屏幕上留下两道痕迹。但是,实验结果出人意料,记录下来的是类似于杨氏双缝实验的干涉条纹。6parker.com

泰勒单光子双缝实验中产生的干涉条纹6parker.com

明明是一个个发射出去的光子,怎么会产生类似于波干涉条纹现象的呢?6parker.com

如果一个光粒子从上面的缝穿过,而后面一个光子从下面的缝穿过,它们是先后隔开了几个毫秒,到达屏幕不同的位置,既不同时也不同地,怎么可能发生干涉?6parker.com

难道是光子在穿过缝隙的时候,“神奇”地一分为二,变成了两个带有“波”特性的东西,自己和自己发生了干涉?6parker.com

物理研究进入了困境,一方面,科学家需要为光是波还是粒子找到身份定位;另一方面,还要研究这些波或粒子的存在状态是怎样的、怎么让一个光子也能产生干涉。6parker.com

量子力学的解释6parker.com

1924年,德布罗意出来“打圆潮了,他认为光既是粒子又是波,具“波粒二象性”。不仅光是如此,电子也是如此,所有的微观粒子都是如此,都具波粒二象性。6parker.com

1926年,为了描述微观粒子的“波”的特性和微观粒子的状态随时间变化的规律,天才的物理学家薛定谔研究出了一组波函数方程—薛定谔方程。通过解薛定谔方程,我们就可以得到“波函数”,也即得到微观粒子系统的状态。但是,薛定谔在发明这组方程的时候,并不清楚这个“波函数”到底在物理上是一个什么样的存在。6parker.com

1926年,玻恩解释了薛定谔方程的“波函数”对应的物理意义。在玻恩看来,光子不是确凿的粒子,而是某一时刻在某一点附近发现粒子的概率;而无论德布罗意提出的“物质波”还是薛定谔方程中的波函数所描述的,都不像经典波(如水波)那样代表什么实在的物理量在空间分布的波动,而只不过是刻画粒子在空间的概率分布的概率波而已。6parker.com

光子在穿过缝隙的时候,确实“神奇”地变成了两个带有“波”特性的东西,而这个“波”既然是概率波,那么它就可以既出现在这一条缝,又出现在另一条缝,让自己和自己发生了干涉—这够神奇吧?6parker.com

既然粒子的出现只是概率,那么我们能否用测量仪器来探测微观粒子在什么地方呢?波恩认为,在我们测量之前,微观粒子既在这里,也在那里,以一定概率存在。等到我们测量时,粒子就会选择一个单一结果表现出来。这也叫作“波函数坍缩”,这时粒子会决定它的位置!6parker.com

不同能量状态下氢原子中电子能够被观测到的概率由亮度表示,图中越亮的位置,电子在该位置被观测到的概率就越高。这就是电子的波函数6parker.com

如果我们把波函数比作骰子的话,那么“波函数坍缩”就是骰子落地的时候。这个“概率波”和“波函数坍缩”解释,是量子力学著名的“哥本哈根诠释”的重要部分。6parker.com

玻恩的理论太过惊世骇俗,和人们长期以来形成的直觉相冲突,当时并不被大部分物理学家理解和接受。因此,他直到 1954 年才获得诺贝尔物理学奖。在近30年之后,大家才普遍承认他的理论。6parker.com

电子的双缝实验6parker.com

在“弱光”(单光子)双缝实验过了50多年之后,物理学家费曼在1961年提出了用电子来做双缝实验。让电子枪一个一个地发射电子,通过双缝后,屏幕上会得到干涉条纹。由于这个实验需要缝隙和间距在纳米量级(10-9m),在当时的技术条件下,只能是一个思想实验。6parker.com

美国物理学家费曼和他的思想实验6parker.com

德国科学家琼森和他的电子束双缝实验结果6parker.com

1961年,德国科学家琼森将一束电子(注意是一束,而不是单个电子)加速到50KeV,让其通过缝宽为a=5x10-5m、间隔为d=2x10-6m的双缝,当电子束通过双缝撞击到荧光屏时,发现了干涉条纹。这个实验类似于杨氏双缝实验的电子版。6parker.com

1974年,意大利科学家Merli、Missiroli和Pozzi用“单电子”来实验,并用电子双菱镜来代替双缝(注意不是双缝)。让电子有间隔地、一个一个发射出去。然后,在荧屏上记录电子的位置。当电子一个一个地累积起来的时候,最终的图像显示了干涉条纹。6parker.com

意大利科学家和他们的单电子双缝实验结果——随着时间推移形成干涉条纹6parker.com

这个单电子的双缝实验,在2002年被《物理世界》的读者投票选为物理史上最美的实验(排名第一),而1801年的“原版”杨氏双缝干涉实验排在第五。6parker.com

而真正实现费曼提出的单电子双缝实验的,是科学家罗杰·巴赫(Roger Bach)等人(2013年)。实验中的双缝的宽度为62纳米,中心间隔272纳米。在这个实验中,两个狭缝都可以随意机械式地打开和关闭,最重要的是,它具备了一次检测一个电子的功能。6parker.com

单电子的双缝实验证明了量子力学的正确性:6parker.com

电子具备“波粒二象性”,既是粒子,又是波。6parker.com

电子的位置和概率,由薛定谔的“波函数”方程决定。6parker.com

我们对电子进行观察的时候,“波函数坍缩”在屏幕上显示为一个点的电子。6parker.com

“少年时”《物质的本源——基本粒子和它们的相互作用》截图,图下显示宏观和微观不同物质所发生的干涉和不干涉情况的比较6parker.com

双缝实验中的一个迷思6parker.com

前面我们提到了量子力学“波函数坍缩”这个概念,也就是说通常微观粒子既在这里,也在那里,位置不定,而当我们测量它时,粒子就会选择呈现自己的确切位置。6parker.com

按照量子力学的解释,科学家提出了如下的思想实验:6parker.com

如果在双缝后面的上方,放一个光子探测器,可以检测到并记录从上面的缝隙经过的光子。此时,我们会得到让人脑洞大开的结果:6parker.com

首先,探测器会记录到有一半的光子经过上面的缝隙。6parker.com

然后,后面屏幕上的条纹,居然不再是干涉条纹了,而是两条痕迹。此刻,光子显示出来的是粒子特性! 6parker.com

当对着双缝的光子探测器工作时,干涉条纹消失,意味着光呈现了粒子性6parker.com

但是,如果我们把光子探测器关掉,后面屏幕上的干涉条纹又神奇般地回来了!6parker.com

当对着双缝的光子探测器关闭时,干涉条纹出现,意味着光呈现了波动性6parker.com

这个思想实验的最初版本还是费曼提出来的:费曼设想在单电子实验的双缝中间放一盏灯,当电子通过时,光子打到电子上产生散射,我们就可以看到电子是从哪一个缝通过的。6parker.com

他分析到,光子撞到电子时会干扰电子,因此,他降低了光的强度。不过,就算只有一个光子,仍然有足够的能量来干扰。他进一步认为,要让光子不干扰电子,只能增大光的波长,也就是降低光子的能量。但是增大波长就会降低分辨率,最后我们可能就看不清了,这就是不确定性原理。最后,他认为:只开灯,不观测,也会让干涉条纹消失。6parker.com

其实,在费曼这个思想实验里,观测不观测不重要,开灯本身就是宏观世界对微观世界干扰了,这和单光子实验里安放“光子探测器” 的效果是一样的。两个版本的思想实验,本质上是一样的,就是实验过程有没有对粒子造成干扰。6parker.com

这是一个神奇的思想实验,我们在双缝后面有没有做测量,会影响到后面屏幕上的条纹。6parker.com

这就是量子力学的神奇之处:当我们没有在双缝后面观察光子时,后面屏幕上的条纹由薛定谔方程来决定其概率分布;当我们在双缝后面观察光子的时候,就会出现我们上面提到的 “波函数坍缩”,光子以50%的概率穿过双缝中的一条,到达屏幕。6parker.com

玻尔对此的解释是“互补理论”:光子和电子可以表现出波的特性或者粒子的特性,但我们在同一时刻只能观测到它的一种特性,而无法同时观测到两种特性。当我们观察到光子的粒子特性的时候,光子的波动性就消失了;当我们观察到光子的波动性的时候,光子的粒子性就消失了。6parker.com

Which-way?6parker.com

在20世纪80年代,科学家做了“which-way”的双缝实验,在双缝后面做探测,看粒子到底是从哪条缝里经过的(这就是which-way的含义)。当这种探测是“深度骚扰”时,对粒子会产生影响,屏幕上的干涉条纹会消失。而当这种探测只是“轻微骚扰”时,对粒子的影响不大,屏幕上的干涉条纹仍然存在(当然,这种“轻微骚扰”的“浅浅一瞥”,并不能十分可靠地给出粒子经过哪一个缝隙的信息)。确实,我们在宏观世界“看”,6parker.com

这一眼看得“轻”还是看得“重”,会影响微观世界粒子的行为。6parker.com

2011年,意大利的科学家用几层原子做成过滤器,作为“which-way”探测器。粒子经过没有过滤器的缝隙时(相当于没有被探测),受到弹性散射,变成柱形波;而粒子经过有过滤器的缝隙时(相当于被探测了),受到非弹性散射,变成球形波。球形波和柱形玻碰到一起,无法形成干涉条纹。这从波形的角度解释了为什么“探测”这件事本身会影响到实验结果。当科学家将过滤器厚度增大的时候,干涉条纹消失;而过滤器很薄的时候,有微弱的干涉条纹存在。6parker.com

一种“which-way”实验结果:粒子经过没有被探测的缝隙时变成柱形波;而当它经过被探测的缝隙时,变成球形波6parker.com

如果和上一个实验结果结合起来,我们或许可以说,当我们探测时,“重重地看了一眼”,一下子把粒子变成了“球形波”,没被看的粒子维持着“柱形”,“球形”“柱形”两不相干了。6parker.com

近来科学家又有新的创意和突破:他们使两个粒子互相纠缠(可以想象成一对孪生的粒子),其中一个粒子用来做“which-way”的观测,另一个粒子通过双缝干涉。这样一来,科学家同时获得了粒子特性和波的特性。6parker.com

双缝实验和波粒二象的研究至今依然让科学家着迷。6parker.com

从1801年的杨氏双缝光干涉实验到2013年的单电子双缝实验,一个简简单单的双缝,间距只有几厘米甚至几十纳米,却前后跨越了二百多年,见证了光的波动性的涟漪、波粒二象性的神奇、薛定谔方程的美妙和量子力学的石破天惊。可以毫不夸张地说,正是双缝,让我们得以初窥微观粒子世界的奇妙。6parker.com

科学家也一直在设计进一步的实验,来搞清楚到底是什么引起“坍缩”,我们的测量手段本身在其中起了什么作用,平行宇宙是否存在,量子纠缠到底是怎么回事等等。通过探索这些未解之谜,科学家或许会对爱因斯坦“上帝不掷骰子”的观点做出回答。6parker.com

后记

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