他山之石:雙縫幹涉實驗恐怖嗎?恐怖在哪?

2021-02-18 註冊巖土考試專題講解

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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。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。

因為測量和疊加態這兩個在量子力學中的玄學概念在雙縫幹涉實驗中的完美展示,雙縫幹涉實驗開始進入大眾的視野。

其實雙縫幹涉實驗的歷史悠久,這個故事始於光的「波動說」的一次階段性勝利。光是波還是粒子,一直都是物理學爭論的核心議題。

整個18世紀,在超級學霸牛頓的壓制下,波動說一直暗無天日。轉折出現在19世紀的開頭,英國物理學家託馬斯楊就觀測到將光束照射於兩條相互平行的狹縫,在探射屏顯示出一系列明亮條紋與暗淡條紋相間的圖樣。

要知道幹涉衍射是波所獨有性質,而這顯然的結果,使得波動說獲得了空前的鼓舞。理解經典的楊氏幹涉其實很簡單,就是從兩個縫射出的波,其振幅和相位在空間上的分布不同,相位相同的區域振幅相加呈現亮條紋,相位差pi的區域振幅相減呈現暗條紋。所以說經典的楊氏幹涉實驗不恐怖,它是波動說的決定性證據!

真正讓人難以理解的是量子力學中的雙縫幹涉實驗。這裡我們做三個思想實驗來一步步理解。(注意這裡是思想實驗,為了方便和經典對比,繼續使用光子,其實如果考慮實際操作的話用電子來描述更為嚴謹)

1.我們用一個光源連續的放出光子,把兩個狹縫(b,c)都打開,那麼在屏幕上會得到什麼樣的結果?答:會得到和楊氏雙縫一樣的結果,在屏幕呈現一列列明暗相間的幹涉條紋。2.我們這時光源每次只放出一個光子,把兩個狹縫(b,c)都打開,那麼在屏幕上會得到什麼樣的結果?答:這時,我們自然而然的會想到每次只有一個光子→那個光子不是從b狹縫通過,就是從c狹縫通過→那麼在同一個時刻兩狹縫不能都有光子→就不可能出現兩狹縫的幹涉→就不會出現實驗1中的幹涉條紋。這個邏輯在之前的解釋中確實是沒有問題的,但是這個實驗有人做了,結果卻讓人大跌眼鏡:雖然每次只發射一個光子,但是經過一段時間的積累,還是出現了幹涉條紋。這太讓人費解了,明明兩個狹縫只有一個狹縫有光子,那這個光子是和誰在進行幹涉呢?難不成是和它自己的幹涉嗎?答案是:沒錯!這個光子是在和自己進行幹涉!這裡我就要引出本回答中第一個要強調的概念:疊加態。大家都熟悉薛丁格的貓,講的其實就是疊加態的一種極端情況。貓處於死的或者活的的疊加態中,只有測量(看一眼)才能使這個疊加態坍縮。在這裡,光子處於既從b狹縫通過,也從c狹縫通過的疊加態中,只有你不在狹縫處進行測量(記住這是個伏筆),你就不能確定那麼到達屏幕處的光子是從哪個狹縫中過來的。那麼包含多個路徑的量子疊加態就會發生自我幹涉,從而出現幹涉條紋。3.我們這時光源每次只放出一個光子,把兩個狹縫(b,c)都打開,但是在狹縫處放置光電探測器,就是說我能觀測每個光子從哪個狹縫走,那麼在屏幕上會得到什麼樣的結果?答:大家看到這裡可能會問實驗3和實驗2有什麼區別?唯一的區別的就是探測器,也就是說區別我看了一眼。俗話說的好,看一眼又不會怎麼樣。那麼這時的實驗結果是什麼呢?答案是:幹涉圖樣消失了!變成了兩道簡單的光束。我一開始學習的時候,學到這裡簡直是可以用頭皮發麻四個字形容,什麼?我看一眼,你就不是你了?這裡我要引出本回答中第二個要強調的概念:測量。測量對於量子力學的意義就是---測量會引發疊加態的坍縮。之前的討論中,我們說實驗2的光子處於既從b狹縫通過,也從c狹縫通過的疊加態中,而實驗3中的光子因為被在狹縫處被測量了,所以這個包含兩個路徑的疊加態一定會坍縮成只包含一個路徑的單態,那這時這種基於疊加態的幹涉就完全地被測量這一行為破壞掉了!

解釋到這裡,經典和量子的雙縫幹涉實驗基本就解釋完了。

總結一個,大家對於這個實驗感到「恐怖」是來源於其實驗現象的反直觀:

上述講解僅為通俗解釋,感興趣的朋友可自行查找相關文章···寫在文末:物理還是挺有意思的,一個注巖考試公眾號,突然扒了一篇講解雙縫幹涉實驗的文章,無外乎想供各位考友複習之餘多些樂趣。

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