物理學家的夢魘:雙縫幹涉實驗,為何該實驗讓科學家感到恐怖?

2020-12-20 騰訊網

經典物理學vs量子力學

如果要評選科學史上匪夷所思的實驗,那麼這個桂冠大概率屬於雙縫幹涉實驗,它就像是物理學家們的夢魘一樣,一直困擾著物理學家。那雙縫幹涉實驗到底是一個什麼樣的實驗呢?

要了解這個問題,我們首先需要了解一下什麼是經典物理學。話說在300多年前,牛頓提出了萬有引力定律和力學三大定律,一舉奠定了經典物理學。牛頓的理論描述的是宏觀低速世界的規律,描述的現象是具有確定性的,具有因果關係。

在經典物理學的世界觀下,宇宙存在著一個絕對客觀的規律,只要我們能夠找到它,那就可以了解宇宙中的一切,這也被稱為決定論

實際上,在近代之前,大多數的科學家都堅信這一點,即便是到了量子力學開始發展,量子力學的許多奠基人依然堅信這一點,其中就包括愛因斯坦,薛丁格等人,以至於他們最終站到了量子力學的對立面中去。

雙縫幹涉實驗

雙縫幹涉實驗在整個量子力學的發展過程中,都是科學家們繞不過的實驗。著名的物理學家費曼曾經在他的著作《費曼物理學講義》中這麼評價雙縫幹涉實驗:

雙縫幹涉實驗展出的量子現象絕對不可能以任何經典物理學的方式來進行解釋,它包含了量子力學的核心思想和量子力學唯一的奧秘。

雙縫幹涉實驗的實驗儀器設置實際上很簡單。說白了就是把一束光照射到一塊刻有兩條狹縫的板上,光束通過狹縫之後,會照射到探測屏幕上。

科學家做了這個實驗後發現,探測屏上出現了明暗條紋相間的圖樣。這個實驗最早是用來證明:光具有波動性。這是因為這個現象可以利用幹涉來解釋,明亮的條紋是相長幹涉區域,暗淡的條紋則是相消幹涉區域。

另類「雙縫幹涉實驗」

看似已經很好地解釋了這個實驗,但是事情在之後發生了反轉。20世紀初,量子力學開始迅猛地發展。而量子力學的發展得益於科學家們在爭論:光到底是粒子,還是波?

這就使得雙縫幹涉實驗被推到了風口浪尖,因為如果科學家要認定光是一種粒子,那如何解釋雙縫幹涉?

那這裡的矛盾點其實就是:單個的「光」到底是呈現什麼樣的狀態?

為了解決這個問題,科學家傑弗裡·泰勒爵士設計了一個技巧的雙縫幹涉實驗。他把入射光束的強度大大降低,使得在任意時間間隔內,最多只發射一個光子出來。這個時候,他就發現主要時間足夠長,最終還會有幹涉圖樣。這實驗告訴我們即便是每次只有單個光子,這個光子也可以同時通過狹縫,也就是說它自己和自己發生了幹涉。

不僅如此,後來還有一位叫做克勞斯·約恩松的科學家拿電子來做類似的實驗,結果也得到了電子發生幹涉的結論。類似的電子幹涉實驗,科學家皮爾·梅利也做過,他成功的讓電子一顆一顆地發射出來,得到了幹涉條紋。

量子擦除實驗&延遲選擇實驗

但這還不是最詭異的還是這些實驗。而是是基於雙縫幹涉實驗衍生出來的量子擦除實驗。這個實驗的第一步就是重複一遍雙縫幹涉實驗得到幹涉圖樣。第二步就是:觀察,看看光子或者電子從哪個縫通過,結果機會發現幹涉圖樣消失了,之所以會消失是因為「路徑信息」的存在。第三不就是消除「路徑信息」,結果又可以重新得到幹涉圖樣。

這實驗直接就顛覆了經典物理學的因果律。也就是說,在量子世界中,因果律很可能是不存在的。同樣顛覆因果律的,還有惠勒的思想實驗「延遲選擇實驗」。

哥本哈根學派

基於大量的實驗,我們可以發現量子世界的粒子無論是光子、電子,同時具有粒子性和波動性。這可以說讓許多科學家都無法接受。因為在經典物理學中,粒子性和波動性是對立的,不可能是同一個物體的屬性。這樣荒誕的結果使得學術圈出現有兩個陣營,一個是以愛因斯坦為首的波動派,另一個是以波爾為首的哥本哈根派。

哥本哈根學派的波爾提出了互補性原理,他認為光既是一種粒子,也是一種波

哥本哈根學派的波恩則提出概率解釋,他認為我們只能知道粒子出現在某個位置的概率是多少,但無法確定粒子本身在哪,除非你觀測它。

上帝不擲骰子

這種「概率性」的解釋,以及「光同時具有波動性和粒子性」的觀點是愛因斯坦等人無法接受的,因為這會導出一個觀點,宇宙可能並不存在一個確定性的客觀規律,這與決定論是相違背的。於是,愛因斯坦在和波爾的一次辯論中說道:上帝不擲骰子

你看,連愛因斯坦的都無法接受的現實,足以見得所以費曼才會說:沒有人真的懂量子力學

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  • 為什麼當年雙縫幹涉延遲實驗讓科學家感到恐怖?
    雙縫幹涉實驗是個啥,為啥讓科學家麻頭皮雙縫幹涉實驗是為了證明光到底是由波組成的,還是由粒子組成的這一物理學史詩之爭。無論光到最後被證明是由波組成的,還是由粒子組成的,都能幫助科學家更深刻地了解宇宙本源。
  • 雙縫幹涉實驗的結果讓科學家感到恐怖,為何會這樣?
    (加微信:yzts111111,拉你進微信群,一起探索宇宙奧秘) 「讓科學家感到恐怖」的說法並不太嚴謹,只是實驗的結果太出人意料罷了
  • 「雙縫幹涉實驗」到底發現了什麼?真的讓科學家感到恐怖嗎?
    實際上,量子力學是人類了解宇宙底層邏輯的敲門磚,而雙縫幹涉實驗則是量子力學核心的顯現,下面聊聊雙縫幹涉實驗到底多「詭異」,揭示了宇宙哪些核心?。薛丁格的貓、上帝擲骰子、平行宇宙哪來的?由於量子太過抽象,因此我們把量子現象過渡薛丁格的貓,再回到雙縫幹涉實驗就容易理解了。這是薛丁格給我們理解量子力學的好例子。
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    到1807年,英國科學家託馬斯·楊發現了光的雙縫幹涉實驗,這一實驗證明光是波而非粒子,因為幹涉是波的特徵,從此,光的波動學說逐漸代替粒子學說成為正統。      著量子力學的發展,科學家提出了光的波動二向性,大物理學家費恩曼曾說過:「雙縫幹涉是量子力學的核心實驗,其中包含了量子力學最深刻的奧秘。」
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    文末有全套高清版資料下載連結,敬請下載學習)開門見山的說,雙縫幹涉實驗不恐怖,但是難以理解。即使對於物理專業的學生來說,一開始接觸到量子力學的雙縫幹涉實驗時,也會嗅到有一絲玄學的味道。開門見山的說,雙縫幹涉實驗不恐怖,但是難以理解。
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    雙縫幹涉實驗,著名的光學實驗。經典的楊氏雙縫實驗,就是從從兩個狹縫射出的波,因為振幅和相位在空間的分布不同,相位相同的區域,振動加強會形成明亮條紋,相位相差π的區域,振幅相減,會呈現暗條紋,因此屏幕上會出現明暗相間的幹涉條紋。
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    高中學過的雙縫幹涉實驗,N多年後,在知乎和頭條上經常翻到關於雙縫幹涉實驗特別恐怖的文章,大家都覺得這個實驗打破了因果律,我也蠻好奇的。具體內容我就不複製粘貼了,由於實驗者的觀察與否出現兩種完全不同的實驗結果。
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    這就涉及到了光的"雙縫幹涉實驗"。「雙縫實驗」是什麼?當我們把一個個小球從一道縫噴射出去時,屏幕上會出現了一個個彈痕組成的柱形。當一道縫增加為兩道時,就是兩個柱形,這是小球的粒子性。換言之,如果我們把一道光波透過一道縫時,屏幕上出現了一個光柱。
  • 雙縫幹涉延遲實驗到底驗證了什麼?為什麼說它的結果很恐怖?
    雙縫幹涉實驗,應該算得上是人類有史以來,第一次在科學實驗中遇到的「超自然現象」,正所謂「外行看門道,內行看熱鬧」,普通人看這個詭異實驗大概只能用「玄乎」來形容,因為與實驗相關的每個字都認識,但又被繞的雲裡霧裡看不懂到底是怎麼回事。
  • 博士說丨為什麼歷史上雙縫幹涉實驗令人細思極恐?
    ,令很多人感到恐懼:難道未來決定過去?再後來,又有人認為光還可能是一種波,因為科學家通過實驗發現光線在經過兩條平行的非常狹窄的縫隙的時候,它會變成好多條光線。這叫幹涉,波才有這樣的現象。(假如光是粒子的話,那在它後面就應該是兩條細細的光線。)這個實驗就是19世紀初託馬斯·楊所做的雙縫幹涉實驗,此後的100多年大家也沒有覺著這個實驗有啥了不起。