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深层解读电子双缝干实验, 我们看到的都是幻象?

物理学界长期以来的争议,数百年的争执不休,光的本质问题一直是个谜。在物理学家眼中,波与粒子是截然不同的概念,一物怎能兼具波与粒子的双重属性?这种观念不仅违背了科学的基本逻辑,而且与我们对世界的常识相悖。

为确定光是粒子还是波,科学家们进行了众多的实验,其中包括一个广为人知的实验——双缝干涉实验。实验内容并不复杂,容易理解。设置两条狭缝,用光源发射光子。

最初的实验并非使用双缝,而是以一条狭缝作为开始,打开光源向狭缝照射,观察屏幕时可见单一的条纹,中央明亮,边缘逐渐昏暗。这表明光表现出了波动性质,仅通过一条缝时产生了衍射。

接着,科学家们将一条狭缝替换为双缝,屏幕上出现了多个干涉条纹。这个现象相对容易解释,因为光通过双缝后相互干涉,就如同水波一样,有波峰和波谷。

到此,所有现象似乎都理所当然,光就是波的观念似乎站得住脚。

然而,“粒子派”的物理学家并不认同,他们提出了改良版双缝干涉实验,每次只发射一个光子通过双缝(无需纠结实现手段,暂且信任科学家的奇思妙想)。

光子在现实世界中,就像一颗小球。若不断向双缝发射小球,屏幕上应该出现两条清晰的痕迹,这是合乎我们常识的。

但实验结果出人意料。科学家们一个接一个发射光子,屏幕上展示的却是多个明暗相间的条纹。这说明,光子通过双缝时,像波一样产生了干涉,形成了条纹!

这与常理不合。要形成干涉条纹,光子必须同时穿越两条缝隙。但根据实验设置,光子是逐一发射的,在逻辑上是不可能同时经过两缝的!

物理学界顿时陷入混乱,这奇异的现象完全出乎意料。科学家原希望通过实验确定光的性质,却最终遭遇了更大的难题。问题的焦点不再是光是粒子还是波,而是物理学家急需解释实验结果!

如何解释光子同时通过两条缝隙的现象?

要找到答案,其实并不难,只需在缝隙旁边安装摄像机直接观察即可。既然我们能想到,物理学家自然也会采取这一策略,他们将光子换成了电子,因为电子具有质量和电荷,更容易观测,而光子则较为微妙,毕竟我们必须依靠光线反射至眼睛才能看见。直接让实验用的光子反射到眼睛里,实验的意义也将不复存在。

然而,新的难题又出现了。物理学家们发现,他们的观测竟能影响实验结果。屏幕上明暗相间的条纹突然消失,转而变成了两条明亮的条纹。

这表示在未观测前,电子似乎能同时穿越双缝。而一旦进行观测,电子便会一个个有序地通过缝隙,仿佛成了玻璃球。

科学家们为此抓狂。而更加骇人的实验结果还在继续,接下来的实验让科学家们陷入疯狂。

不得不佩服科学家的机智,既然观测可能影响电子状态,那么在电子到达屏幕之前进行观测总不会出错吧?于是,他们再次开展实验,在双缝后安装摄像机,试图观察电子是如何通过双缝的。

令人震惊的事件再次发生。电子似乎能“读懂”科学家的意图,当摄像机开启进行观测时,电子“乖乖地”变成了像玻璃球一样的粒子,屏幕上显示两条条纹。而当关闭摄像机时,屏幕上再次出现了多个明暗相间的干涉条纹。

这个实验被称为延迟选择量子擦除实验。实验结果公然违背了我们世界的因果关系,因为电子通过双缝的状态本应是固定的,要么是粒子性质,要么是波动性质,不应再有变化。但实验显示,人们的观测似乎改变了电子通过双缝时的性质。

要知道,人们的观测发生在后,电子通过双缝在前!这意味着后发生的事件影响了已经发生的历史,结果可以改变原因!这真是不可思议!放大来看,我们或许可以改变历史!

爱因斯坦坚信因果律不可破,但以波尔为首的哥本哈根学派开始得意洋洋:看实验结果,一切都由不确定性决定。在电子未被观测时,它处于叠加状态,不可能准确描述其状态。一旦进行观测,电子的状态就确定了,这就是所谓的“坍缩”。

波尔进一步解释道:在量子世界中,不存在因果关系,只有互补原理。原因和结果并非我们传统理解的因果关系,而是互补关系,可以相互影响,形成互补关系。

波尔的解释或许让人感到困惑:未来的事件可以影响现在和过去。这句话如果不是出自著名物理学家波尔之口,如果不是有真实实验作为支撑,我们可能会认为说这话的人已经疯了。

难怪费曼会说:没有人能真正理解量子力学。他的真实含义是我们不能用现实世界的常规认知来解释量子世界。

但微观世界与宏观世界并没有明显的界限,我们本身也是由微观粒子组成。如果像电子这样的微观粒子具有波动性,其位置和速度都不确定,可以出现在原子核周围的任何地方,那么理论上我们人类也应该拥有这种特性。

德布罗意提出的“物质波”概念确实提及了这一点,他指出“万物皆波”,万物都具有波动性。通过公式可以计算出波长:

其中,λ代表物体的波长,h是普朗克常数,m是物体的质量,v是物体的速度。物体质量越大,波长越小。在宏观世界中,我们看到的物体波长极小,因此通常表现出粒子性而非波动性。

但从理论上讲,存在极小的概率,你也可以同时通过两条缝隙,你有可能同时出现在两个不同的地方,例如此刻的你既在阅读这篇文章,也可能同时在月球或其他任何地方。

面对这些,是否感到彻底疯狂了?



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